近日，中国科学院上海天文台朱逢尧博士（现工作单位：之江实验室)和王均智研究员（现工作单位：广西大学)与合作者通过改进氢射电复合线的计算模型，揭示了电离气体中的氢原子能级布居普遍存在翻转现象，并且能够对所发出的氢射电复合线的特征产生显著的影响。射电复合线是常用的研究电离气体的工具。这项研究为通过射电复合线探测电离气体物理性质的方法提供了理论基础与实践指导。相关研究成果于2022年9月发表在著名天文学杂志《天文学与天体物理》(Astronomy & Astrophysics)上。
电离气体是星际介质主要的存在形态之一，通过对电离气体的研究，可以帮助我们了解大质量恒星形成活动与恒星形成环境。将氢射电复合线与连续谱相结合，经常被用来分析电离气体的温度与密度等物理性质。常用方式是在局部热动平衡和光学薄的假设下，通过射电复合线与连续谱流量强度的比值来估计电离气体的温度。但是，一系列的理论和观测研究都显示，在H II区的电离气体中，氢原子的能级布居情况可能并不满足局部热动平衡的假设，从而会对电离气体性质的估计产生影响。
为估计这种影响的重要程度，中国科学院上海天文台朱逢尧博士和王均智研究员在过去研究的基础上，改进了氢原子能级布居与射电复合线的计算模型，并用于计算H II区环境下氢原子能级布居与射电复合线的特征。
该项研究发现，氢原子能级的布居翻转现象在H II区的环境中常见，并且在光深>0.1时能够通过受激辐射机制对氢射电复合线的流量强度与轮廓特征产生显著的影响（图1）。
图1: 在局部热动平衡假设下估计电离气体温度与实际温度（10000 K）的偏离情况。垂直红线为光深为1对应的发射量度（emission measure, EM）。
该研究发现，对于低密度的大型H II区，在厘米波段存在一部分的氢射电复合线适合于局部热动平衡的近似。而对于致密H II区，则很少甚至没有氢射电复合线符合局部热动平衡的近似。经过检验，研究团队发现使用多波段的射电复合线与连续谱的比值拟合的方法，可以比较准确地用来估计非局部热动平衡状态下电离气体的温度和发射量度，并且在受激辐射显著时可以得到更准确的密度估计。
该论文的第二作者及共同通讯作者王均智研究员表示：“该工作显示大部分观测到的射电复合线为弱的脉泽发射，结果表明某些进入了传统射电天文学教科书的电子温度的计算公式需要改写，在此基础上还提供了通过测量量准确获得电离气体温度及密度的可靠方法。同时，这也为利用我国自己的望远镜设备(比如FAST及天马望远镜)开展射电复合线相关的观测研究，打下了坚实的理论基础。”
该论文的作者还包括中国科学技术大学的朱青峰副教授及广州大学的张江水教授。
科学联系人：
朱逢尧，中国科学院上海天文台/之江实验室，zhufy@shao.ac.cn
王均智，中国科学院上海天文台/广西大学，junzhiwang@gxu.edu.cn
