分布在星際空間的物質有哪些

太空生物學·黃媂

在太陽附近大約每4~5個光年才會碰到另外一顆恆星，所以恆星和恆星之間的距離比它們的直徑要大很多，在這個星際空間裡面是不是還有其他的物質呢？

星際物質，分布在星際空間的物質

以前人們認為星際空間裡面是沒有什麼物質的，但是這個觀點從銀河系的銀道面圖像裡面可以看到是錯誤的，實際上星際空間裡面充滿了各種各樣的物質，雖然它們的密度是非常低的，圖像裡最顯著的是那些黑色不規則的區域，這是由分子和塵埃構成的緻密氣體，恆星以及它周圍所照亮的氣體雲，因此氣體是星系的一個組成成分，統稱為「星際物質」。

星際物質，就是分布在星際空間的物質，但是它並不僅僅包括物質，還包括了星際氣體、塵埃、宇宙線以及星際磁場。星際物質在整個銀河系裡面所佔有的質量比重是不高的，大約是恆星質量的10%，但是它所佔有的體積遠遠地超過恆星，在星際物質裡氣體大約佔99%，而塵埃是佔1%。根據對星際物質的觀測研究發現，它們主要分布在銀道面附近1000光年內的範圍裡。

星際氣體

主要是由氫元素構成的，根據氫元素所處的環境不同，氫的組成方式也是不一樣的，既有原子形式的氫，也有離子形式的氫和分子形式的氫，並且它們在空間的分布是很不均勻的。

圖解：紅色的氫原子，綠色的氫分子，灰色的熱氣體

氫的原子狀態主要是在幾條旋臂狀的結構裡面，它們分布在銀河系的旋臂上，而氫的分子既有在旋臂上分布，也有在銀河系中心，熱氣體分布在整個銀河系裡，不同形式的氫，它們的粒子數密度差別很大，有些相對來講是非常緻密的，有些是非常稀疏的，所以密度低的可以到10的-2次方個每立方釐米，高的可以達到10的6次方格每立方釐米。

不同類型氫的表現方式

• 氫離子

氫離子的存在意味著氫原子裡的電子已經電離了，逃脫了原子核的束縛，之所以電子能夠離開原子核，是因為它所處的溫度比較高，或者它受到了外界的影響，最主要的原因是在原先中性氫的氣體裡或者在它的附近有年輕的大質量恆星，這些恆星通常是高溫的，所以它們所產生的輻射攜帶的能量是非常高的，一般是在紫外波段。

圖解：紅色——代表電離氫的輻射，氫之所以會產生輻射，主要的原因是來自於中心的年輕星團——NGC 2244

• 氫原子

如果在氣體的周圍或者內部沒有高溫的恆星，這個時候氫就處於原子的狀態，而處於原子狀態的氫，同樣可以通過不同的手段來發現和研究它們，主要的方式有兩種：

1.對恆星光譜的星際吸收。

2.自發躍遷產生21釐米電譜線。

第1種稱為「星際的吸收線」，在星際空間裡面充滿了星際的氣體，所以去觀測一個遙遠的天體，比如恆星的輻射在到達我們望遠鏡的時候，輻射必定要穿越過不同距離上的氣體雲，每一個氣體雲都可能會對恆星原來輻射出來的光子產生吸收和散射，這樣在恆星的光譜上就會出現不同的吸收線，所以去觀測一顆恆星的光譜，它的吸收線既有來自於恆星大氣的吸收，也有來自於星際氣體的吸收，這兩類吸收在性質上會有很大的差別。比如星際吸收線是非常尖銳的並且不會發生譜線的變化，但是星際空間裡的氣體就沒有這樣的特徵，這是研究星際氣體的一種方式。

圖解：恆星光譜

第2種是利用氫原子的躍遷過程，這種躍遷稱為「星際結構的變化」，一個氫原子是由一個質子和一個電子來組成的，電子在圍繞質子做軌道運動，同時電子還在自旋，自旋的方向和它的軌道運動方向可以是平行的，也可以是反平行的，這兩種狀態所對應的能級是不一樣的。平行的狀態比反平行的狀態，能級要高一些，所以一個原子它可能會從平行的狀態躍遷到反平行的狀態會釋放一個光子，當然反過來的過程也會發生，那麼就會吸收一個光子，這個光子的能量和兩個狀態的能級差是完全相等的，所對應的波長是21釐米射電波段，所以可以通過21釐米譜線的觀測去研究中性的氫原子的性質。

圖解：狀態躍遷

• 氫分子

如果環境的溫度特別低，這個時候氫原子就會結合形成分子，對應的溫度通常要比20K還要更低一些，對於分子狀態的氫如果要產生輻射，主要是通過轉動的變化，也就是所謂的「轉動躍遷」，這個時候產生的輻射也落在了射電波段，但是由於氫分子本身是一個軸對稱的，所以沒有轉動躍遷所產生的射電輻射，只有藉助於其他的分子，比如一氧化碳分子，我們把這類分子叫做「適中分子」，而它的含義是一氧化碳分子往往與氫分子出現在同一個地區，並且兩者之間的質量比例關係是一致的，所以測量到了一氧化碳分子就可以大體地推測在那個地區會有多少的氫分子。

利用一氧化碳分子的譜線觀測可以得到分子氣體雲的分布，同樣分子氣體雲的分布也是不均勻的，有些區域是非常密的，有些區域相對來講比較稀疏，把密集的區域稱為「分子雲」，除了氫之外，通過分子譜線的觀測還發現了很多宇宙空間裡的分子，既有無機的分子，也有有機的分子。

塵埃

塵埃雖然在星際物質裡佔有1%的質啊，但是它的作用卻非常大，原子要結合變成分子所需要的媒介就是塵埃的顆粒，所以塵埃往往和分子是結合在一起的。

研究塵埃也是通過它對於外界的輻射影響和它自身的輻射兩方面來入手的，下面的兩張圖就展示了「蛇夫星雲」這個天區光學波段和紅外波段的觀測圖像，光學波段看到中心出現了一個形狀不規則的黑色區域，這個區域並不是真的沒有恆星，而是在它的前方有一個氣體雲，這個氣體雲裡面包含了大量的塵埃，塵埃物質吸收阻擋了背後恆星的輻射，所以沒法看到背後恆星的輻射，但是塵埃受到恆星星光的照射之後，它們自身的溫度會升高，所以會產生「再輻射」，這個「再輻射」並不是在光學波段，而是在紅外波段，所以用紅外望遠鏡去觀測同樣天區，就會看到來自於這一片區域的塵埃顆粒所產生的輻射。

重點回顧

• 星際物質

-分布在星際空間的物質。

-其中還包括星際氣體、塵埃、宇宙線與星際磁場。

-質量約為銀河系恆星恆星質量的10%，其中氣體佔99%，塵埃佔1%。

-分布在銀道面附近1000光年內的範圍裡。

• 星際氣體

-主要由氫構成，包括氫原子、氫離子和氫分子。

-空間分布很不均勻，且密度低。

• 不同類型氫的表現方式

-氫離子——中性氫氣體被附近高溫恆星的紫外輻射電離。

-氫原子——對恆星光譜的星際吸收，自發躍遷產生21釐米射電譜線。

氫分子——星際分子的形成需要很低的溫度，分子的轉動躍遷可以產生射電或吸收，雖然氫分子沒有射電輻射/吸收，但通常與一氧化碳等分子的質量比例關係是一致的，可以利用一氧化碳的輻射研究氫分子的分布，觀測發現星際分子往往聚集成團形成分子雲。

• 塵埃

-對星光的吸收和散射。

-受到加熱後產生紅外熱輻射

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