民國115年 高考三級 天文 天文觀測
第4題
氫是星際介質中含量最多的元素，基本上有三種型態：⑴離子氫（H+或 HII）；⑵原子氫（H 或HI）；⑶分子氫（H2） 離子氫通常是存在於氫離子區（HII reg…
題目
氫是星際介質中含量最多的元素，基本上有三種型態：⑴離子氫（H+或 HII）；⑵原子氫（H 或HI）；⑶分子氫（H2） 離子氫通常是存在於氫離子區（HII region），天文學家通常是在可見 光波段觀察Hఈ譜線（即氫原子主量子數n=3 n=2），請問為何觀察游 離態的氫要用到氫原子躍遷所發出的譜線？（5 分） 天文學家通常觀測氫原子是利用某一特定譜線的輻射，請問這個輻射 的名稱為何？其輻射機制為何？（5 分） 在溫度很低（約10 度K 左右）的分子雲中，天文學家通常利用分子 轉動動能之能階躍遷所發射或吸收譜線來觀測，但這個方法卻無法觀 測冷氫分子的輻射，其困難在那裡？請問天文學家目前是用什麼方法 得知一個分子雲中氫分子的含量？（5 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、為何用氫原子譜線觀測游離氫：游離態氫（H⁺）沒有束縛電子，不產生束縛－束縛躍遷譜線，只能發出自由－自由（free-free）連續輻射；氫離子區的游離光子由年輕O、B型星提供，電子被復合（recombination）後沿能階下降，產生 Balmer 系，其中 Hα（n=3→2，6563 Å）最強，故以復合譜線示蹤游離區。
- 二、HI 的觀測譜線：21公分（1420.4 MHz）超精細結構譜線，源自電子與質子自旋由平行轉為反平行之自發躍遷，躍遷率 A≈2.85×10⁻¹⁵ s⁻¹（壽命約1.1×10⁷年）；雖然躍遷機率極低，但星際氫柱密度極大仍可觀測，並可由都卜勒位移測定速度場與旋臂結構。
- 三、H₂ 觀測的困難：同核雙原子分子無永久電偶極矩，轉動躍遷屬電四極矩躍遷，機率極低；且 J=0 為基態，第一轉動能階約相當1700 K，在約10 K的分子雲中幾乎不被激發；電子吸收帶位於紫外，被塵埃嚴重消光，因此直接觀測氫分子十分困難。
- 四、目前的方法：以 CO（J=1→0，115 GHz）為主要示蹤劑，配合轉換因子 X_CO≈2×10²⁰ cm⁻²(K·km/s)⁻¹，由 CO 亮度推估 H₂ 柱密度；並輔以塵埃連續輻射、塵埃消光與紅外熱輻射、以及紫外吸收線（H₂ 電子躍遷）交叉檢驗。
- 五、限制與提醒：X_CO 隨金屬丰度、雲的物理狀態與輻射場而變，低金屬丰度環境須另行校正，故所得為統計推估而非直接計數；答題時應說明假設與不確定度，並指出多波段交叉驗證的必要性。
AI 依官方試題文字產生的參考解答，非考選部公告答案，內容僅供備考參考。