宇宙地球人类三篇 第133章 发射线

发射线的种类及其科学意义

发射线是光谱中特定波长的亮线，由气体或等离子体中的原子、离子或分子在受激后跃迁到低能级时释放光子形成。它们不仅是天体物理过程的重要诊断工具，还能揭示天体的化学成分、温度、密度及动力学状态。以下是发射线的详细分类及典型例子，远超Hα（氢阿尔法线）的范畴。

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1. 发射线的物理机制

发射线的产生需满足两个条件：

1. 激发源（如高温、辐射场、碰撞）。

2. 低密度环境（避免碰撞退激发，如星云、日冕）。

根据量子力学，发射线波长（λ）由能级差决定：

\[

\lambda = \frac{hc}{E_u - E_l}

\]

其中，\(E_u\)和\(E_l\)分别为上下能级能量。

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2. 发射线的主要种类

(1) 原子发射线

氢原子（Balmer系列）

- Hα（656.28 nm，红区）：n=3→2，最常见于恒星形成区（如猎户座大星云）。

- Hβ（486.13 nm，蓝绿区）：n=4→2，用于电子温度测量。

- Hγ, Hδ：更高能级跃迁，强度逐渐减弱。

其他氢线

- 莱曼系列（Lyman）：紫外波段（如Lyman-α 121.6 nm），类星体和早期宇宙探测。

- 帕邢系列（Paschen）：红外区（如Paschen-α 1875 nm）。

金属原子线

- 钠（Na I）：589.0 nm和589.6 nm（D双线），见于彗星和冷星。

- 钙（Ca II）：

- H线（396.8 nm）和K线（393.4 nm），恒星色球层活动指标。

- 红外三重线（849.8 nm, 854.2 nm, 866.2 nm），太阳黑子研究。

(2) 离子发射线

一次电离元素

- [O II]（372.6 nm和372.9 nm）：星系电离气体示踪。

- [N II]（654.8 nm和658.3 nm）：与Hα混合，区分激波或辐射电离。

- [S II]（671.6 nm和673.1 nm）：电子密度诊断（线强度比）。

高次电离元素

- [O III]（495.9 nm和500.7 nm）：行星状星云和活动星系核（AGN）的强线。

- [Ne III]（386.9 nm）：大质量恒星电离区标志。

- [Fe X]（637.4 nm）：日冕高温（百万开尔文）等离子体。

(3) 分子发射线

转动-振动谱带

- CO（一氧化碳）：毫米波（如CO J=1→0 115.27 GHz），分子云质量测量。

- H?O（水）：亚毫米波（如557 GHz），恒星形成区外流探测。

- OH（羟基）：18 cm射电波段（1612 MHz、1665 MHz等），脉泽（微波激射）源。

复合分子

- PAHs（多环芳烃）：红外特征谱线（如3.3 μm、6.2 μm），星际有机分子。

(4) 复合与复合线

- 自由-束缚辐射（复合连续谱）：电子被离子捕获时释放连续辐射 叠加发射线（如H II区）。

- 双电子复合线：高能电子复合到高激发态（如He II 468.6 nm）。

(5) 特殊天体发射线

活动星系核（AGN）

- 宽线区（BLR）：

- Hβ宽线（FWHM ＞ 2000 km/s）。

- C IV 154.9 nm（紫外），类星体红移测量。

- 窄线区（NLR）：

- [O III] 500.7 nm（FWHM ＜ 500 km/s）。

超新星遗迹

- [Fe XIV]（530.3 nm）：高温激波区。

- [Si II]（634.7 nm）：抛射物成分。

X射线发射线

- Fe Kα（6.4 keV）：黑洞吸积盘铁原子荧光。

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3. 发射线的科学应用

(1) 恒星形成与星云

- Hα/[N II]比：区分H II区（电离氢区）和超新星遗迹。

- 巴尔末减缩（Balmer Decrement）：Hα/Hβ比推算星际消光。

(2) 星系演化

- 鲍德温-菲利普斯-特里维西（BPT）图：

使用[O III]/Hβ vs. [N II]/Hα区分恒星形成星系与AGN。

(3) 等离子体诊断

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\[

\frac{[O III]\,495.9 500.7}{436.3} \propto Te

\]

- 电子密度（ne）：

\[

\frac{[S II]\,671.6}{673.1} \propto ne

\]

(4) 宇宙学距离

- Lyman-α森林：类星体光谱中的吸收线阵列，研究宇宙大尺度结构。

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4. 常见误解澄清

“发射线只有Hα？”

绝非如此！Hα仅是氢原子Balmer系列中最易观测的一条，实际天体光谱中可能同时存在数十条不同元素的发射线。例如：

- 行星状星云NGC 7027：强[O III]、[Ne III]、Hα、[N II]混合。

- 类星体3C 273：从紫外（Ly-α）到红外（Pa-α）的数百条发射线。

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5. 前沿探测技术

- 积分场光谱（IFU）：同时获取空间 光谱信息（如MUSE仪器）。

- 高分辨率光谱（如ELT-HIRES）：解析系外行星大气发射线（如O?、CH?）。

- ALMA毫米波阵列：分子线成像恒星形成区（如CO、HCN）。

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总结

发射线是宇宙物质活动的“指纹”，从冷分子云的毫米波辐射到黑洞附近的X射线谱线，覆盖全电磁波段。通过分析这些谱线，天文学家得以解码天体的物理状态、化学演化及极端环境过程。Hα仅是冰山一角，现代光谱学已建立包含数百万条谱线的数据库（如NIST ASD），持续推动天体物理学的发展。

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