星际强激波的 Balmer 双线结构

李江涛南京大学天文系，南京， 210093

报告内容• 1. 背景知识。• 2.Balmer 双线结构基本模型。• 3.Balmer 双线结构的应用。• 4. 我的相关工作。• 5. 总结。

1. 背景知识• 无碰撞激波（ collisionless shock ）。• 质量正比加热。• 准垂直激波核准平行激波。• 在激波加热中起重要作用的等离子体不稳

定性。• 激波加热过程中的 nonequilibrium 和 non

equipartition 。

• 激波在激发星际磁场中的作用。• 无辐射激波（ nonradiative shock ）。• Balmer-dominated shock 产生的条

件： A. 足够热的电子。 B. 部分电离，中性氢丰度足够高。 C. 金属线较弱。

• 前导辐射（ precursor ）。• Lyman 光子俘获。

2.Balmer 双线结构基本模型。

• Balmer 窄线主要由激波前气体碰撞激发产生，反映了激波前气体的物理状态。

• Balmer 宽线由激波后高能质子和激波前冷中性气体进行电荷交换产生，反映了激波后气体的物理状态。

• 2.1 只考虑碰撞电离和电荷交换的情况：

• 在仅仅考虑质子和电子产生的碰撞电离，激波后高能质子和激波前冷中性气体的电荷交换的条件下， Balmer 宽窄线流量比可以表示为：

• 2.2 Lyman 光子俘获过程的影响：• Lyman 光子俘获过程会大大增强 Balmer

窄线的强度，还会影响观测到的 Balmer 衰减的强度。考虑 Lyman 光子俘获过程时，上式可化为：

• 对于 Tycho 超新星遗迹， 约为 6 。• 如果激波前气体对于 Balmer 宽线的辐射是

光学薄的，对于 Balmer 窄线中的 Lyman线成分是光学厚的，那么上式应当修正为：

• 2.3 前导辐射的影响：

• 前导辐射主要包括以下几种：• （ 1 ）热传导前导• （ 2 ）辐射前导• （ 3 ） MHD 前导• （ 4 ）快中性粒子和高能质子前导• （ 5 ）宇宙线前导

• 这里重点介绍辐射前导。辐射前导会在激波到达之前对激波上游气体进行加热，激发和电离，不仅增强 Balmer 窄线的强度，而且还会增加其宽度。

• Forward shock: 轻元素为主，高能光子源为轻元素（如 He ）的紫外谱线。

• Reverse shock: ejecta 为主，高能光子源为重元素的紫外和 X-ray 谱线。

3. Balmer 双线的应用

• 由于 Balmer 双线结构与激波速度，磁场，周围介质密度和电离度等物理量密切联系，因此，通过对 Balmer 双线结构的研究，可以获得有关超新星遗迹的许多信息。

• 3.1 利用 Balmer 双线结构求激波速度：• 两种方法：• 通过 Balmer 宽窄线流量比计算• 通过 Balmer 宽线线宽计算

• 3.2 利用 Balmer 宽窄线之间的位移求激波的传播方向与视线方向的夹角：

• Balmer 宽线的线心位置 -> 激波的视向速度• Balmer 窄线的线心位置 -> 周围星际介质中

的慢中性粒子的视向速度• Balmer 宽窄线之间的位移 -> 激波相对于周

围星际介质的视向速度• 由 3.1 节中的方法求出激波的速度，就可以

确定激波的传播方向与视线方向的夹角。

• 3.3 确定 e-p （ e-i ）平衡度：

• 方法一：分别测量电子和离子的温度。• （ 1 ）通过热轫致辐射连续谱可以得到电

子温度；• （ 2 ）通过某种元素谱线的热展宽可以得

到这种元素的温度；• （ 3 ）通过某种元素不同谱线之间的流量

比或者不同元素谱线之间的流量比可以得到电子温度（或激发温度，电离温度）。

• 方法二：通过 Balmer 宽窄线流量比。

• 3.4 激波速度和 e-p 平衡度之间的反相关关系：

• 解释：• （ 1 ） Lower hybrid wave?

• （ 2 ） SNR 演化造成 ?

• 假定：

• 在自由膨胀相：• 在 Sedov 相：• 当 m=0 ， n=9 时，• 当重元素的含量不是特别高时，可以近似

用激波温度 来表示质子温度。

4. 我的相关工作

• 电离参数• — 电子密度，电离时标• — 电离率，复合率• — 电离温度• — 电子温度 or 离子温度• — 电子温度

• Nonequipartition and nonequilibrium.

5. 总结• 关于关于 BalmerBalmer 双线的研究，目前主要问题在双线的研究，目前主要问题在

观测上，观测得到的谱分辨率不够高，有观测上，观测得到的谱分辨率不够高，有时甚至不能明显地分辨出双线结构。时甚至不能明显地分辨出双线结构。

• 理论方面，对理论方面，对 BalmerBalmer 窄线的强度和宽度都窄线的强度和宽度都有重要影响的快中性粒子和宇宙线前导，有重要影响的快中性粒子和宇宙线前导，目前基本上还只能进行定性解释。目前基本上还只能进行定性解释。

• 激波速度和激波速度和 e-pe-p （（ e-ie-i ）平衡度之间的关系）平衡度之间的关系还需要进一步的观测来确认。还需要进一步的观测来确认。

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