在发射线星云的研究中,有两个长期存在的基本问题:用传统的碰撞激发线(collisionally excited lines-CELs)方法测得的重元素相对于氢的丰度比用光学复合线(optical recombination lines-ORLs)测得的值要低;用碰撞激发线测得的电子温度比用复合线或复合连续谱测得的值要高。为了解释这些基本问题,天体物理学家提出了多种模型和机制。通过对发射线气体星云(行星状星云和电离氢区)的深度分光观测和细致分析,大量的证据表明,星云中很可能存在一种前所未知的、低温而贫氢的气体成分,该冷成分正是造成上述丰度和温度测量系统差异的主要原因。如果这种贫氢冷成分确实存在,那么它们的天体物理学起源是什么?它们与周围星云中的正常成分热气体的相互作用关系是怎样的?这种气体成分的存在对恒星晚期演化的认识有什么影响?为了深入探讨这些问题,需要更为清楚地了解该气体成分的物理性质(如电子温度、密度,质量)、化学组成(即元素丰度)、以及在星云中的分布等。随着近年来越来越多高信噪比、高分辨率星云光谱的获取,更多暗弱的、利用旧的观测手段难以准确测量的重元素复合线被探测到,从而为开展等离子体诊断和丰度测量提供了新的手段和窗口,同时也对开展相关高精度原子参数计算提出了新的要求,如适用于贫氢冷气体成分低温环境(≤103K)下的重元素离子CⅡ、NⅡ、OⅡ和NeⅡ复合谱的有效复合系数。　　 本文采用从头计算法(ab initio calculations)计算了一次电离氮N+复合谱的有效复合系数。计算用了中间耦合(Intermediate Coupling-IC)框架下的密耦合R矩阵方法(close-coupling R-matrix method),计算了主量子数n≤11、轨道角动量量子数l≤4的束缚态能级的光致电离截面、能级值和振子强度。同时在光致电离截面的计算中,使用了步长可变的能量格点以分辨出位于NⅡ电离极限上方附近所有重要的共振结构。计算所得高精度光致电离截面用于进一步计算复合系数一包括辐射复合和双电子复合。在计算N+能级布居时,考虑了N2+复合离子的基态精细结构能级2P°1/2,3/2的相对布居数在星云环境下随电子密度的变化,并由此得到N+有效复合系数对电子密度的依赖关系。这是首次在NⅡ有效复合系数的计算中引入这一因素,使得利用NⅡ光学复合线开展星云密度诊断成为可能。NⅡ高主量子数里德堡能级布居计算考虑了低温双电子复合。该过程通过位于NⅡ能量最低的两个电离极限,即NⅢ基态电子组态2s22p光谱项精细结构能级2P°1/2和2p°3/2之间的自电离能级(2P°3/2)nl(n＞51)发生,在极低温度环境下(≤250K)对NⅡ的有效复合系数有重要贡献。该计算的适用环境达到了前所未有的低温(将近100K)。新的NⅡ有效复合系数为开展基于重元素光学复合线的星云物理学研究开辟了道路。借助这种由精确原子参数建立起来的全新诊断手段,可以测得星云中重元素复合线产生区域-即贫氢冷成分-的温度密度、化学丰度,进而估计其质量;借助对星云的深度分光观测以及将来的高空间分辨率成像观测还可以进一步获取该冷成分的尺度、分布等信息,从而加深对其起源、演化等机制的理解。本文简短讨论了这些复合系数在光致电离气体星云温度和密度诊断上的应用,给出了基于NⅡ复合线的温度墙度诊断方法。为方便使用,本文还给出了在不同密度条件下对NⅡ有效复合系数随电子温度变化的解析表达式拟合。　　 在气体星云物理学中,明亮且中等激发度的行星状星云NGC7009是极具研究价值的天体。它的光谱中有极为丰富的发射线,这对发射线气体星云的分光研究格外重要。利用深度分光观测,可以在该天体中探测到数以百计的重元素离子光学复合线,其中尤以OⅡ复合线最为丰富。通过对这些复合线的分析,不仅能测得星云中低温区的物理环境、元素丰度,还能研究其中的基本原子过程,对重元素离子的复合理论进行检验。早在九十年代,Liu等对在NGC7009光谱中探测到的OⅡ最强的复合线做了细致的拟合测量,并结合在中间耦合(IC)框架下计算得到的有效复合系数,对OⅡ3p-3s、3d-3p和4f-3d多重线系中的精细结构线做了系统的分析,结果表明OⅡ复合谱对传统的LS耦合假设有偏离,并与新的理论计算一致。对NGC7009中丰度的分析显示,从光学复合线得到的C、N、O丰度均比碰撞激发线给出的值高5倍,这一结果和更早些时候在星云中发现的C2+离子丰度差异现象类似。在排除了测量误差和原子参数是这种丰度差异起因的可能性后,Liu等推断,这些现象很可能都是由相同的物理过程引起。经过十多年的发展,人们对气体星云中重元素复合线的激发机制及其产生环境下的基本物理过程有了更深的理解,用于计算复合系数的原子复合理论也更加完备。如今,天体物理研究中已经有了更高质量的行星状星云光谱和通过更全面的原子复合理论计算得到的NⅡ和OⅡ复合谱的有效复合系数:对气体星云(特别是行星状星云)中长期存在的丰度和温度测量问题也已经有了更合理、物理图像更清晰的解释,其中最为成功的就是Liu等于本世纪初提出的双成分模型,即星云中很可能还分布有贫氢(即富金属)的冷气体成分。对行星状星云的单天体研究和对不同类型发射线气体星云的大样本深度分光观测都支持了这种冷成分存在的可能性。为了对这种冷成分的物理环境(温度、密度)和元素丰度进行准确测量,从而得到其可能的化学成分、质量等信息,同时也为了对原子理论(如耦合框架)作进一步的检验,首先需要利用高质量光谱对星云进行深度分光观测研究,并结合高精度有效复合系数对其中的重元素光学复合线进行分析。以上即本文对行星状星云NGC7009进行深度分光观测分析的出发点。　　 本文给出了行星状星云NGC7009的深曝光、中等分辨率CCD光谱。光谱波长覆盖范围为3040-11000(A)。利用完备的原子跃迁数据库,本文对光谱中探测到的所有发射线进行了认证,并通过多高斯成分拟合(multi-Gaussian lineprofile fitting)对整个光谱进行了细致处理,得到上千条发射线,其中80％以上为重元素光学复合线,所得复合线数目远多于之前对NGC7009的分光观测研究,这是至今最为完备的光致电离气体星云谱线列表;谱线拟合给出了更准确的CⅡ、NⅡ、OⅡ和NeⅡ复合线流量,为深入分析该天体中可能存在的贫氢冷成分气体的性质提供了坚实的数据基础。利用测得的重元素碰撞激发线、中性氢以及中性氦复合谱对NGC7009作了等离子体诊断,且利用最新计算的NⅡ和OⅡ有效复合系数对对该天体做了温度和密度诊断。得到各种温度之间有如下关系Te([OⅢ],CELs)≥Te(HⅠ)≥Te(HeⅠ)≥Te(NⅡ/OⅡ,ORLs);这一结果支持了光致电离气体星云的双成分模型,即星云中存在低温贫氢冷成分(等离子体),碰撞激发线和重元素光学复合线分别发射自星云的正常成分热气体和贫氢冷成分。结合最新的重元素离子有效复合系数,本文分析了NGC7009中最强的CⅡ、NⅡ、OⅡ和NeⅡ复合线多重线系(包括OⅡ M1,OⅡ M10,NⅡ M3,NⅡ M39a,b,NeⅡM2等)。多重线系中精细结构线的观测相对强度和复合理论计算结果的对比分析给出如下结论:NⅡ和OⅡ的3p-3s和3d-3p跃迁偏离LS耦合,并与最新的理论计算结果一致;NⅡ、OⅡ和NeⅡ的4f-3d复合线观测相对强度和理论计算非常一致。这表明目前的NⅡ、OⅡ和NeⅡ复合理论是正确的。对NGC7009的丰度分析显示,用光学复合线测得的C、N、O、Ne相对于氢的丰度均比其碰撞激发线给出的值要高5～7倍,这和之前[Liu等(1995)和Luo等(2001)]的观测分析结果一致。本文在用CⅡ、NⅡ、OⅡ和NeⅡ复合线测丰度时都采用最新有效复合系数,并假设重元素复合线给出的电子温度,即1000 K。在这一温度下,用重元素离子不同多重线系精细结构线测得的离子丰度都非常一致,表明用复合线温度测定重元素丰度具有可靠合理性,并暗示了所有这些重元素复合线很可能都起源于同一种物理环境,即星云中的贫氢冷成分。本文最后对以上工作进行了总结。