近日，中國科學院上海天文臺研究團隊利用天馬65米射電望遠鏡首次探測到了碳氧離子射電復合線。基于此發現，該團隊準確測量了M42電離區的碳氧離子豐度。研究成果表明，離子射電復合線有望成為測量元素豐度的常規手段，對精確測定星際空間，特別是高度消光區的元素豐度具有重要意義。這一發現于近日發表在Astronomy & Astrophysics上。　

電離氣體是星際空間中最為廣泛分布的氣體成分。對電離氣體不同元素發射線的觀測是測量宇宙元素豐度最重要的手段。長期以來，對電離氣體豐度的測量大多基于光學（及紅外）譜線觀測。然而，基于光學譜線的觀測普遍存在消光嚴重、譜分辨率較低、電離區激發條件嚴重依賴電離氣體的溫度與密度等難以規避的困難。在這樣多方面因素的影響下，基于光學譜線的觀測所得的元素豐度的不確定度可達到一個量級之多，且這種觀測結果通常給出的是相對于鐵、氧等元素的相對豐度，而非相對于氫元素的絕對豐度。因此，相較于基于光學譜線的觀測而言，射電復合線以其光學薄、近局部熱動平衡等特點，能夠更好地規避光學波段存在的觀測影響。

雖然射電復合線示蹤的是電離氣體，但幾乎所有目前探測到的射電復合線都源自中性原子的高階躍遷。此前，天文學家僅在行星狀星云NGC 7027和NGC 6302中探測到兩條氦離子的射電復合線，然而這兩條氦離子射電復合線與氦原子高階復合線頻率重合。因此，在大多時候，射電復合線幾乎專指原子射電復合線。在天文領域，比氦更重的元素被稱為金屬元素，它們主導了星際塵埃與星際有機分子的形成。金屬原子的射電復合線往往會被與之具有相近頻率的氦原子射電復合線掩蓋，這使得金屬原子的射電復合線很難被探測到。與之相反，金屬離子的射電復合線則一般不與原子的射電復合線混合，理論上可作為測量元素豐度更為有力的工具。然而，由于長期以來缺乏兼具大寬帶與高靈敏度的射電觀測設備，此前尚未探測到金屬離子的射電復合線。

此次，上海天文臺研究團隊利用65米口徑的天馬望遠鏡首次探測到了來自星際空間的碳氧離子射電復合線。這一新發現是基于該團隊利用天馬望遠鏡正在開展的譜線搜尋項目。該項目計劃對Orion KL等天體進行1-50 GHz深度譜線搜尋，首次在低頻射電波段繪制出完整的高靈敏度譜線圖譜，為即將建設的ALMA band 1和SKA等大型射電干涉設備所引領的天體化學研究做好前期研究準備。目前，該項目已經對Orion KL完成Q波段（35-50 GHz）、Ka波段（26-35 GHz）的觀測，證認出了超過一千條譜線，包含眾多此前尚未探測到的復雜有機分子譜線與射電復合線。

在證認Ka波段譜線時，一些線寬約15公里/秒的發射線引起了研究人員的注意。這些發射線只有約10 mK的譜線強度，但在mK靈敏度的頻譜上非常顯著，且它們不能與任何原子射電復合線以及分子譜線相匹配。由于它們的線寬與射電復合線的線寬非常接近，研究人員意識到很可能捕捉到了離子射電復合線的信號。研究人員認為，既然射電復合線是主量子數很大的能級之間的躍遷，那么其發射體，無論是離子還是原子，都應當可看做類氫系統，其頻率則可由里德伯公式描述。為了對此進行驗證，研究人員在Ku波段（12-18 GHz）進行了觀測，成功匹配到了8條離子的阿爾法線（主量子數差為1的射電復合線）。經過仔細檢查，研究人員又分別在Q波段（35-50 GHz）和Ka波段的頻譜中匹配到了數條離子的阿爾法線和貝塔線的微弱信號。研究人員比對了在不同日期觀測到的譜線，發現這些譜線的頻率在修正掉地球運動帶來的多普勒紅移以后保持一致。至此，研究人員確信探測到了來自星際空間的離子射電復合線。

研究人員對數十條離子射電復合線同時進行了模型擬合，發現它們相比于氦離子射電復合線預期在頻譜上出現的位置藍移了超過20公里/秒，很可能發射自比氦元素更重的離子。模型擬合還準確測定了它們示蹤的二次電離離子的豐度為8.8E-4，與光學譜線大致給出的1E-4到1E-3的碳氧元素豐度相符。由此，研究人員確信首次探測到了來自星際空間的碳氧離子射電復合線。

相關研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委項目以及中科院對外合作交流重點項目的資助。

天馬望遠鏡在Orion KL中探測到的碳氧離子射電復合線（白色）。綠色區域是對離子射電復合線的模型擬合。綠色點線是考慮了所有射電復合線和分子譜線的模型擬合。背景圖是心形的獵戶星云（Orion nebula; M42）以及位于其左下明亮區域的Orion KL天體（圖片由Shawn Nielsen攝制）。