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title: "分子谱线立方体与速度切片互动实验｜Sandbox Physics"
description: "同一片云，为什么换个速度通道就变了样？每个通道收集沿视线速度相近的气体。"
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  en: "https://sandboxphysics.com/labs/molecular-line-cube/"
last_modified: "2026-11-05"
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沿着一条谱线看转动的云

# 分子谱线立方体与速度切片

**同一片云，为什么换个速度通道就变了样？** 每个通道收集沿视线速度相近的气体。云一转动，不同位置就落进不同通道。相隔很远的气体也能共享同一种速度，因此通道图把运动分组，并没有切出某一层真实深度。

拖动转动的云和转轴，再沿谱线切换通道。从同一片气体读取通道图、谱线和位置—速度剖面。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

模型假设

这里采用静止的规定椭球、345GHz的严格双能级教学跃迁、局部LTE、等温Planck源函数与刚体转动；真实CO和固定的ALMA TW Hya盘资料另列。热展宽、预设的微观速度弥散、有限通道平均和正的像素积分高斯beam，共同生成一份128乘128乘96的立方体。物理观察者固定在正深度轴方向，转动显示相机不会改变观察方向。场景中的深度是模型几何；立方体第三维是远离观察者的速度。移动云中心或转轴会重算完整状态。越界或未通过检查时保留上一接受状态，并检查谱窗尾部、beam通量和有限地图漏光。固定、留出及冷薄线、最大剪切、采样相位和端点的复合病例与独立细网格参照比较过；这些有限证据没有证明整个连续域的统一误差界。温度和微观弥散只随已测预设改变。这里没有动力学塌缩、求解的湍流、非LTE激发、尘埃连续谱、散射、干涉成像或真实云质量与深度反演。云点采样规定的物理场；箭头方向跟随局部速度，长度为示意缩放。下方数据图只读取同一份接受的立方体。按相对亮度作的显示掩膜属于看图选择，不是校准过的探测规则。

物理教程

## 看同一片云怎样落进不同速度通道

**背景** 谱线让望远镜能按频率分开光。运动会让谱线移位，一个窄频率通道便选中了沿视线速度相近的气体。

**为什么值得理解** 同一片云，在一个通道里可能分成两块亮斑，换个通道又连成一片。把气体运动和谱线放在一起看，图形的变化就有了来由。

先抓重点

- **核心问题**: 转动的云，哪一部分会落进当前通道？
- **一句话直觉**: 通道按视线速度分组。共享这种速度的物质，可以分布在不同深度。

### 核心数学模型

#### 射电速度约定

$$
v=c(1-\nu/\nu_0)
$$

参考频率属于声明的跃迁。正速度表示远离观察者；显示相机转动时，物理观察方向保持固定。

#### 沿等温视线形成谱线

$$
\Delta T(v)=[J_{\nu_0}(T)-J_{\nu_0}(T_{\rm bg})](1-e^{-\tau(v)})
$$

同一份气体提供吸收和Planck源函数。增加柱密度先让谱线变亮，随后峰顶趋于饱和，线翼继续扩展。

#### 积分谱线与速度质心

$$
W=\sum_i T_i\Delta v_i,\qquad v_{\rm c}=\frac{\sum_i v_iT_i\Delta v_i}{W}
$$

两个求和都读取保存的有限通道立方体。质心是按亮度加权的速度，并采用声明的显示掩膜；它没有指定某层真实深度。

### 常见难点

#### 速度不是深度尺

**容易误解** 逐个切换通道，就是逐层切开云。

**正确理解** 好几层气体可以有同一种速度。三维气体图显示规定的几何；独立图像会把每条视线上的贡献合起来。

#### 亮度与分子数

**容易误解** 分子多十倍，峰顶总会亮十倍。

**正确理解** 不透明度变大后，深处物质对逃出谱线的影响减弱。饱和预设中，峰顶接近源函数的亮度，线翼仍会增长。

### 动手实验

1. 01

   #### 扫过转动的云

   从“转动的云”开始，沿谱线移动速度通道，对比亮斑与气体的速度颜色。

   **你会看到：** 远离和靠近观察者的气体落进不同通道，位置—速度剖面读取同一份立方体。

2. 02

   #### 改变物理转轴

   拖紫色转轴端点，再选“沿着转轴看”；另在空白处拖动显示相机。

   **你会看到：** 改变物理转轴会改变视线速度；只转相机时，物理场景的角度变了，测量立方体保持不动。

3. 03

   #### 在实际数据上移动探针

   在通道图里拖动，选择一条视线，同时看它的谱线和位置—速度剖面所取的行。

   **你会看到：** 谱、矩和导出都使用同一份接受的结果。按相对亮度作的掩膜属于看图选择，不代表噪声显著性。

4. 04

   #### 比较薄线与饱和线

   先选“近乎透明的谱线”，再选“分子更多，峰顶相近”，比较谱峰与积分亮度。

   **你会看到：** 亮度与柱密度的关系会随不透明度改变；只读峰顶，不能得到一片云的质量。

物理结论

让运动、谱线传输、通道和beam共同生成一份立方体，才能把同一片云的几种视图连起来。

## 相关实验与文章

分子谱线立方体与速度通道 · 阅读路径

### 分子谱线立方体与速度通道

这条阅读路径里用到本实验的文章，后面跟着它们推荐的其他实验。

1. [文章 **速度通道为什么切不出云的真实深度**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/molecular-line-cube/why-velocity-channels-are-not-depth-slices/)
2. [文章 **从分子运动到一条有宽度的谱线**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/molecular-line-cube/molecules-gaussian-lines-and-thin-emission/)
3. [文章 **气体怎样挡住自己的谱线**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/molecular-line-cube/opacity-and-the-planck-line-source/)
4. [文章 **同一份立方体，怎样读成通道图、谱线与矩图**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/molecular-line-cube/moments-beams-and-a-saved-ppv-cube/)
5. [文章 **用ALMA给TW Hya的盘做速度切片**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/molecular-line-cube/replay-alma-tw-hya-line-cube/)
6. [文章 **亮斑来自密度，还是速度？读速度通道分析**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/molecular-line-cube/reading-velocity-channel-analysis/)

波与光学 · 入门路径

## 从一条光线到干涉测量

从折射出发，找到光线模型失效的地方，再用干涉测量极小的距离。

[从这里开始 → **光学界面探索器** 转动入射角，观察反射与透射功率此消彼长；再切换到“临界角与全反射”场景。 观察 · 11 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)

1. [1 光学界面探索器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)
2. [2 彩虹焦散观测站](https://sandboxphysics.com/zh/labs/rainbow-laboratory/)
3. [3 针孔相机](https://sandboxphysics.com/zh/labs/camera-obscura/)
4. [4 相干波合成器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/coherent-wave-composer/)
5. [5 Young 双缝实验台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/young-double-slit-bench/)
6. [6 Michelson 精密测量台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/michelson-precision-lab/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/waves-and-optics/#starter-path)