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第３回 星間物質その１ 平成24年度新潟大学理学部物理学科 集中講義 松原英雄（ＪＡＸＡ宇宙研） 星間物質と可視・赤外スペクトル線 • 星間物質（ガスと塵）は、星から放出され、や がて再び新しい星たちの原料となります。 星間ガス雲 (“星の胎盤”) 星の終焉： ガス放出／超新星爆 発、塵の生成／破壊 星の誕生 星内部での重元素生成 2 太陽の元素組成 R2-p3 中性水素（ＨＩ）ガス • 銀河系円盤の主要部分を占めるＨＩガス雲の分 布は、水素原子自身の放つ波長21cmの電波輝 線の観測によって調べられました。 • ＨＩ 21cm線の起源： – 陽子と電子のスピンの向きが並行か、 反並行か、でほんのわずかに束縛エネ ルギーに差が出ます（反並行の方がエ ネルギーが低い） – HIガスの柱密度[ １cm2あたりの水素原子の数] がHI 21cm 線の観測で得られる輝度温度TBから求められます： v2 32n 02 k v2 18 [cm-2] (3.4) N ( HI ) T d v 1 . 823 10 T d v B v1 B 3c3hAul v1 – TB=TStn , TS (スピン温度）はほぼガスの温度と一致、場所に依らず一 定とした。 – l tn n ds 0 ：光学的厚み 我々の銀河系のＨＩガスの分布 • 銀河円盤の回転 則を使って各速度 成分の太陽から の距離を割り出 し、2次元的な分 布図を作ることが できます。 分子雲 • 低温高密度の星間ガスは分 子状態。 • 水素分子は電気双極子モー メントをもたないので、電磁波 を出しにくい。 • 一方一酸化炭素分子は、大 きな電気双極子モーメントを 持つ直線状分子。 • 回転エネルギー準位： EJ hBJ( J 1) • 従ってJ+1 Jへの遷移に 伴って n (E J 1 J J 1 EJ ) / h B( J 1)(J 2) BJ ( J 1) 2 B( J 1) 小暮智一「星間物理学」（ごとう書房） ＨＩＩ領域 • 若い大質量星（や白 色矮星）の紫外線に よって、水素原子が 電離したような領域。 • ガスの加熱は、電離 した光電子の余剰運 動エネルギー。一 方、冷却は、金属イ オンからの禁制線 （光学的に薄いので ガスを効率的に冷や すことができます）。 禁制線の例 Spinoglio and Malkan 1992 代表的な赤外禁制線 line λ rest (μm) Probes of HI Brα 4.05 metallicity (H) / extinction HI Pfα 7.46 metallicity (H) / extinction ArII 7.0 excitation ArIII 9.0, 21.8 excitation NeII 12.8 SFR / excitation / metallicity NeIII 15.6, 36.0 SFR / excitation / metallicity NeV 14.3, 24.3 AGN indicator SIV 10.5 Excitation SIII 18.7, 34 Excitation SiII 34.8 PDR OIV 25.9 AGN indicator OIII 51.8, 88.3 Density / metallicity OI 63.1, 145 PDR NII 122, 205 Metallicity NIII 57.3 Metallicity CI 370 Molecular gas CII 158 PDR HII領域における加熱・冷却率 小暮智一「星間物理 学」（ごとう書房） [NII] / H vs [OIII] / Hbによる診断 ＯｒｉｏｎＮｅｂｕｌａ オリオン分子雲 左： 近赤外線（２ＭＡSS），生まれた星の分布、ＨＩＩ領域 右： 野辺山45m電波望遠鏡によって取得された一酸化炭素分子のイメージ。 （国立天文台） 光解離領域 Photodissociation Region 電離源 Orion Bar 赤：CO J=1-0 黄：H2 1-0 S(1) 青: 3.3um PAH 第３回の問題 • 問(1). HI 21cm電波輝線の輝度温度から、HIの柱 密度を求める式(3.4)の定数に数値を入れて、右辺 v 18 1.82310 ( TB dv / K km s1 ) になることを示せ。 v • 問(2). HI 21cm電波輝線の速度分布に関する平均 的な光学的厚みを t0 とした時、(3.4)は 2 1 N ( HI ) 1.82310 18 v2 v1 TStn dv 1.8231018 TSt 0 Dv のように書ける（TS:スピン温度、Dv: 速度幅 kms-1)。 今TS=100K、 Dv =100kms-1とした場合、光学的厚み が１となるHI柱密度 N(HI)を求めよ。その柱密度を 超えるようなHIガス雲からの21cm電波輝線の強さ （輝度温度）はどうなると考えられるか？