爱读书 探索 万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

这样的夜空,看上去如此拥挤,实际上却是空空如也。

我们能看见的每颗星,几乎都相差无垠的时空。它们之间,比地球上任何实验室里的真空更空。然而,它们依然被一些气体和尘埃联系着。这些溢满星际空间,似有似无的物质,被称为星际介质(ISM)。

是孕育恒星的羊水,也是晕染星空的彩墨。

就银河系而言,它们至少占据银河系可见质量的10%至15%,99%都是气体,仅1%是尘埃。在星光的刺激下,它们会映出或红、或蓝的色彩,或在我们难以想象的距离叠加下,留下一抹暗影。

这些毫无存在感的星际介质,却是我们绘制星系结构的重要观测对象。没有星际介质的渲染,星空也不会那样的绚丽,多彩。

星际介质到底是什么?如何才能看见这些看似透明的存在?它与宇宙又是怎样一种关系?

星海蒙尘慧眼难辨

尘埃,仅占星际介质的1%,却能给星辰笼上一层看不透的薄雾。

由薄的、高度扁平的石墨片、针状物、硅酸盐、铁、冰构成的小颗粒尘埃,可以形成于红巨星的外层,分散在红色巨风和行星状星云中。

每一片尘埃的大小大约等于或小于蓝光的波长。

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

从视线方向看去,尘埃可能聚集在一起形成尘埃云。当足够厚时,这些云甚至可以完全阻挡想要穿过的星光。

根据光线颜色和尘埃云的厚度,光线也会只被部分散射。由于波长短的蓝光更易被散射,因此当我们通过尘埃云直接观察光源时,会发现它看起来比预期更红,我们称之为星际红化

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

这与“天空湛蓝,夕阳如血”的原因几乎一样。

地球上的空气分子比尘埃小得多,也更容易散射蓝光。因此,当你以与太阳不同的方向看天空时,由于蓝光比红光散射得多,所以天空总是蓝色的。

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

然而当夕阳西下,你透过大气直视日落时,蓝光、绿光,以及一些黄光已经从我们直视的方向上散射开了,只有能穿透空气的红色或橙色的长波才能到达你的眼睛。

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

总之,尘埃使蓝光散射,红光透射,而且星际介质还会使所有穿过的光稍微变暗,产生消光的效果。

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

尘埃的消光效果最明显,而银河系的盘面存在大量的尘埃,所以在可见波段上,我们大约只能看见6000光年的距离。

我们可以通过各种消光现象,来发现星际尘埃的分布。然而剩下99%的气体,我们又能通过什么方法看见它们呢?

要认清它们,首先你得知道氢气的几种不同状态,因为大多星际介质都是由氢元素构成的。

与炽热恒星相伴的离子氢

作为宇宙中最简单的原子,氢原子由一个质子和一个电子组成。

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

恒星光谱分类的视觉色彩变化

当一个区域内一颗新的O型或B型恒星诞生时,其可达10000K的表面高温将辐射出大量高能紫外线,使周围的氢发生电离(丢掉一个电子),形成一个向外扩散的电离氢球体。当电离氢以高能状态再与自由电子重新结合时,会发射出一种红色的萤光

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

从微观层面上来看,这是电子从轨道n=3跃迁到n=2时,释放出的656.3纳米波长的能量,这也被称为氢原子的Balmer-α跃迁。

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

这和日常生活中荧光灯的工作原理是一样的,只是荧光灯是靠水银蒸气产生紫外线,然后激发灯泡内部的荧光粉发出可见光。

宇宙中,这些充斥着电离氢的区域,简称为HⅡ区,天文学家甚至把这些区域认为是一种特殊的天体,被称为发射星云,而它总是相伴一颗或一群高温恒星而存在。

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

著名的HⅡ区域:猎户座星云

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

HⅡ区域:人马座的泻湖星云

在这种紫外线能量的转换中,每个紫外线光子会产生一个可见光子。也就是说,即使O型或B型恒星隐藏在星云内部,也可以由此估算出引起荧光的恒星温度。

HⅡ区的光谱比恒星光谱简单得多,也更容易破译。与恒星相比,HⅡ区的组成和条件更容易确定和理解。因此,观测HⅡ区就成了确定星系中恒星形成的一种有效手段。

由于HⅡ区巨大且明亮,使得天文学家还可以通过观测它来绘制星系结构。在银河系中,HⅡ区就呈螺旋状分布。

然而,由于O型和B型恒星的罕见,所以大多数氢并不都是电离的。因此,我们无法用可见光来捕捉星系的整体面貌,而只能用更容易通过尘埃的无线电波,来作为绘制星系氢分布图的最佳波长。

充斥宇宙的中性氢

在空旷的星际空间中,更多的氢元素都远离炙热的O型和B型恒星,它们以冷原子的形式存在,而存在的区域简称为H I区。其温度一般在100K到3000K之间。

这样的氢原子,其电子都在基态轨道上围绕质子运动,但因为所有质子与电子都存在名为“自旋”的内禀属性,所以一个电子可以有两种基态形式,而这两种基态实际上有着微弱的能量差异。

1944年,荷兰天文学家亨德里克·范德·赫斯特(Hendrik van de Hulst)预言,冷原子氢会由于基态电子的微小能量变化,而发射出21.1厘米(频率=1420.4兆赫)特定波长的射电能。这种辐射被称为21厘米辐射

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

产生21厘米辐射的微观原因在于,处于基态围绕质子运动的电子,存在两种相反的自旋方式:一种是与质子自旋方向一致,即自旋平行状态;另一种与质子自旋方向相反,即自旋反平行状态。

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

而自旋平行实际上是一个比自旋反平行略高一点的能级状态。同时,由于宇宙中万事万物都会自发地由高能向低能转变,所以自旋平行的电子最终都会自发“翻转”,成为自旋反平行的电子。

只是由于这两种状态的能量差距实在太小太小,所以一个氢原子平均可能要等待几百万年,才可能出现这种转变,而21厘米辐射就是发生这种转变时的信号。

尽管这是一种罕见的转变,但宇宙中充斥着大量的氢,这意味着有足够多的氢原子在任何给定的时间上发出21厘米辐射(即便在恒星还未形成的宇宙黑暗时代),从而很容易被射电望远镜探测到。

我们的银河系,大约有30亿倍太阳质量的H I气体。大部分的H I气体位于我们星系的盘状部分,位于离盘中面720光年内。庆幸的是,21厘米辐射不会被尘埃阻挡!因此,它会告诉天文学家许多关于宇宙任何时段的秘密。

诞生恒星的分子云

星际介质也有致密且凉爽的区域,这些区域氢会形成分子结构,被称为分子云。其温度一般低于100K。

当然在分子云中除了有氢气,还有CO、H2O,C2H5,以及开始形成其他复杂形式的有机分子,包括构成生命的重要组成部分:氨基酸和核苷酸。这些分子在星际介质中的存在,表明一些生命成分广泛存在于整个星系中。

虽然分子云中有大量分子,但其密度远远低于我们此刻房间里2×10^25每立方米的分子密度,其密度仅为10^9每立方米。

分子也有能级,所以一个电子从一个能级跃迁到另一个能级时,紫外光子就会被发射或吸收,而紫外望远镜可以探测到这一点,但分子云中的气体和尘埃十分密集,会对紫外线产生很大的消光。这导致我们无法精确地测量分子云内部的氢分布。

另外,因为氢分子不发射无线电波,所以也无法用无线电望远镜直接探测。不过幸好,在分子云中通常10000 个氢分子就有一个CO分子,而CO会发射波长2.6mm的无线电。因此,天文学家通常是通过探测CO,来分析分子云。

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

猎户座分子云中的CO分布图

星际介质中的分子被聚集成云团,质量从几个太阳质量到100多万个太阳质量不等,直径从几光年到600光年不等。如果分子云足够冷,足够密,它就会在自己的重力下崩塌,形成恒星。

万物始于星际,包容一切的星际介质到底是什么?说说星空的故事

银河系大约有25亿倍太阳质量的分子气体,其中70%在距中心13000至26000光年的环形中。不多的分子气体分布在离中心4900至9800光年之间,但距中心4900光年之内却拥有总分子气体质量的15%。

大部分分子云都聚集在银盘的螺旋臂中,停留在距盘中平面390光年的范围内,而那里正是形成恒星的摇篮。


一般来说,一种物质存在于另一种物质内部时,后者就是前者的介质。例如:光通过镜片,镜片就是介质;光进入水里,水就是介质。

而星际介质不仅是承载宇宙万物的媒介,更是构建万物的原材料。由这些稀薄星际介质拉开的宇宙物质演化,经过了138亿年才有了我们如今的世界。

如果说,弥漫宇宙的星际介质孕育了我们现在已知的一切,那恒星无疑是它最高的杰作,而作为恒星子民的我们,或许是星空最意外的收获。

星辰万千皆源出空相,宇宙鸿鸣如灵魂一颤。

本文来自网络,不代表爱读书立场,转载请注明出处。本站尊重版权,如果侵犯您的权益,请通知管理员立即删除。https://www.dushu263.com/430158.html

发表评论

邮箱地址不会被公开。

联系我们

联系我们

0371-68342113

在线咨询: QQ交谈

邮箱: 200768998@qq.com

工作时间:周一至周五,9:00-17:30,节假日休息

关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们

关注微博
返回顶部