正在阅读: 宇宙中的“雾霾”——星际尘埃
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

宇宙中的“雾霾”——星际尘埃

来源:光明网2018-10-10 10:09

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

    银河系的“雾霾”

    说起北京,大家立即就想到雾霾。大家都讨厌雾霾,听说过谁看到雾霾就特高兴的吗?就有这么一些天文学家听见了雾霾就兴奋的不行。不过他们关心的雾霾不在北京城,而在遥远的星际空间。

    在一个没有光污染的地方仰望夏夜星空,天上最美的就是银河了,璀璨河汉,银光闪烁,波光粼粼。但如果你亲眼目睹银河,还会发现在繁星中密布着很多像乌云一样的暗条。这些暗色的云就是银河系中的“雾霾”,被天文学家称之为“星际尘埃”。

宇宙中的“雾霾”——星际尘埃

    图1. 银河系

    图片拍摄:北京市第十二中学牛雨萱/浦士毕

    在宇宙中,群星间并不是真空,而是分布着气体和尘埃(微小的固态颗粒)。它们统称为“星际介质”。平均而言星际介质的密度大约为每立方厘米100万个分子。多不多?真不多,因为实验室里如果你能让容器达到每立方厘米100亿个分子的水平,就可以称为真空环境了。换句话说星际介质的密度是实验室真空密度的万分之一!

    星际介质的主要成分包括氢原子和氦原子,也有少量简单分子,这些都是以气体形式存在的。除此以外,就是大约占据星际介质百分之一的尘埃颗粒。就是这一点点尘埃颗粒造就了银河系中的“霾”。

    星际尘埃的组成

    天文研究发现,星际尘埃中包括了石墨、硅酸盐、多环芳香烃、水冰等,这就像水加煤灰(这准备做煤球吗?),再掺些沙子,最后撒上些石油搅拌在一起。

宇宙中的“雾霾”——星际尘埃

    图2. 石墨Rob Lavinsky

    图片来源:iRocks.com

宇宙中的“雾霾”——星际尘埃

    图3. 水晶

    图片来源:JJ Harrison

    听起来这天上也不比北京的空气干净。但正是这脏兮兮的一团东西,成为了解开许多宇宙谜团的钥匙。像地球这样的岩石行星就是由围绕在恒星周围的雾霾凝聚而成。更重要的是生命分子的产生也可能与这团灰尘紧密关联。

    星际尘埃中的碳哪里来的呢?它其实是恒星燃烧的产物。恒星内部就是一个持续了上百亿年的核熔炉,时刻发生着核聚变反应:氢变成氦,氦又会聚成碳,氧等更重一点的原子。

    等到哪天恒星内部燃料消耗完了,也就快死了。这时候恒星会把大量物质吐出来返还给星际介质,所谓“尘归尘,土归土”。不过呢,返还的物质中氢原子变少了,其它质量大的原子增多了,例如碳。

    所以,恒星和汽车一样都会积碳。碳原子在条件合适时难免就聚在一块攀亲叙旧,一来二去就形成了石墨之类的大块颗粒。沙粒的主要组成——硅酸盐的来源也是类似的过程。

    那石油是哪里来的?这得从石油的主要成分多环芳香烃说起。多环芳香烃是由很多碳原子和氢原子构成的复杂有机分子。下图即为它的结构示意。六个碳原子手拉手形成一个环,环环相扣就成了多环芳香烃。虽然目前天文学界还没有一个成熟的观点解释多环芳香烃的来源,但很多猜测认为它同生命起源相关。

宇宙中的“雾霾”——星际尘埃

    图4. 多环芳香烃的结构示意图,

    其中黑色的是碳原子,白色的是氢原子

    探测星际尘埃

    恒星观测很容易,因为它们会发出可见光。但是研究尘埃就没那么容易了。煤球和石油不烧的时候不会发光,沙子就是烧也烧不起来。所以用光学望远镜看不到尘埃发出来的光。但是这也难不倒天文学家,他们想到了至少三种方法探测星际尘埃。

    散射

    虽然尘埃自己不发出可见光,但通过遮挡背后的恒星光产生暗云,如图5所示。这些尘埃颗粒大小为零点几微米,只有头发丝直径的几百分之一,光线穿过它们的时候会发生散射。散射光的波长与尘埃颗粒的大小有关。天文学家通过测量穿过尘埃的背景光在不同波长上被削弱的程度(官话叫“星际消光”),就能够猜测出尘埃的多少、颗粒的大小、乃至大致组成。

宇宙中的“雾霾”——星际尘埃

    图5. 宇宙中的暗云,主要是尘埃构成

    图片来源:ESO

    连续谱辐射

    星际尘埃会在红外波段产生连续谱辐射。这些连续辐射暴露了尘埃的温度等物理信息。斯皮泽望远镜、赫歇尔望远镜、普朗克望远镜等空间望远镜都对星际尘埃辐射的探测做出过很大贡献。

    吸收与发射

    尘埃分子中的电子也会像原子那样受到特定波长光线的激发产生跃迁,从而会吸收特定波长的光子。当背景光穿过尘埃分子的时候,由于这些特定波长的光被吃掉(吸收),就在光谱中留下一条吸收线。除了电子跃迁吸收能量,化学键振动和分子自旋也都会从穿过的电磁波中吸收特定能量而产生吸收线。

    分子总是喜欢保持在低能级状态,因此很快它们就会把吃进去的能量再吐出来。这个过程会在电磁波特定波长上形成一条发射线。理论上可根据这些吸收/发射线的位置可以判定分子类型。

    分子类型的证认

    因为分子又是电子跃迁,又是化学键振动,还会自旋,各种吸能手段同时使用,就造成了它们的吸收/发射线看上去比原子的复杂很多。这带来了一个大难题——这么热闹的光谱线,到底是哪种分子产生的?

    自1922年以来,天文学家在从紫外到近红外的恒星光谱中陆续发现了几百条来自星际分子的吸收线,但就是无法确认它们是由哪些分子产生的。成为了宇宙一大谜团,天文学家还把它们命名为弥散星际带。

    直到2015年,有天文学家声称确认了其中三条吸收线是来自一种石墨烯离子(C60+)。下图就是这种长得像足球一样的奇特有机分子。这是人类首次确认了弥散星际带的载体分子。也是首次确认了石墨烯在星际空间的存在。

宇宙中的“雾霾”——星际尘埃

    图6. 足球烯(C60)的分子结构。每个球都是一个碳原子,它失去一个电子后形成正离子C60+

    图片来源:ewels.info

    尽管一些专家言之凿凿,但是争议仍然存在。最近就有研究质疑这三条吸收线压根就不是石墨烯。在星际弥散带近百年的研究历史中反复上演着这样的戏码——一拨人先声明证认了某个分子,另一拨人很快就来打脸。这也一定程度上反映了星际介质研究是极其困难的工作,不仅要有耐心、有智慧、还要脸皮厚不怕后人打啊。

    作者介绍:

    刘超,中国科学院国家天文台研究员。主要从事银河系的结构与演化、星系动力学、星际消光、恒星物理等研究。

    美编:彼得堡

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 让桥梁自愈、装备隐身,带你了解“物质世界设计师”

  • 海军四川舰开展首次航行试验

独家策划

推荐阅读
以“智跃无界,开源致远”为主题的操作系统大会2025(以下简称“大会”)在北京举办。
2025-11-14 17:08
我国在4个国家开展6处文物古迹保护修复,49项中外联合考古项目涉及28个国家和地区,用实际行动践行全球文明倡议、不断丰富世界文明百花园。
2025-11-13 07:07
由四川省人民政府主办的2025世界动力电池大会12日在宜宾市开幕。
2025-11-13 04:55
据估算,太阳每秒钟释放的能量,可供全人类使用约70万年。模拟太阳来产生无尽的清洁能源,也因此成为人类的“终极能源梦想”。
2025-11-13 04:55
日前,中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所、中科合肥智能育种加速器创新研究院联合发布重要成果:全链条机器人育种家“小海”与“海霸设施”小麦快速育种商业化服务平台同步启动,标志着我国在智能育种装备与工程化应用上取得关键突破。
2025-11-13 04:55
日前,记者从全球规模最大的恐龙蛋化石遗址——湖北青龙山恐龙蛋化石群国家级自然保护区获悉,数字化档案建设团队正为库藏的每一枚较完整恐龙蛋化石,赋予由“保护区名称—化石产地名称—库藏箱编号—标本编号”构成的唯一“身份证ID”。这标志着该保护区首次实现恐龙蛋化石专属标识管理。
2025-11-13 04:55
困扰无数人的睡眠问题,终于有一部纪录片说清楚了!
2025-11-13 08:55
国家卫生健康委百万减残工程专家委员会主任委员、中国医学科学院北京协和医学院院校长吉训明介绍,目前,全国已有20个省份成立减残工程专委会,8个省份正在积极推进。
2025-11-12 07:24
2025年是中国科学院院士、我国理论物理学奠基人、“两弹一星功勋奖章”获得者彭桓武诞辰110周年。
2025-11-12 07:23
由中国科学院昆明动物研究所牵头,联合国内外多家科研机构组成的研究团队,通过对现存及灭绝长臂猿的大规模基因组测序与比较分析,系统阐明了长臂猿科的演化历程、种群动态及其标志性长臂表型的遗传基础,为全球长臂猿的保护行动提供了新的科学见解,相关研究成果日前发表于国际学术期刊《细胞》。
2025-11-12 05:10
11月11日,长征八号甲遥五运载火箭在海南商业航天发射场成功实施转运,计划择期发射。
2025-11-12 05:10
近日,中核集团中国原子能科学研究院主导建设的量子放射性计量实验室及电离辐射计量级设备“一线多用”产研平台正式投入运行,成功填补我国在低温量子磁量热计领域的空白。
2025-11-12 05:10
在数据管理与使用方面,《实施方案》提出,实行物流公共数据分类分级管理,规范开展数据授权运营,扩大路网、轨迹、企业、人员等关键数据供给。
2025-11-11 10:03
中国科协日前发布的《中国科技期刊发展蓝皮书(2025)》显示,我国科技期刊总量持续增加,从2023年的5211种提升至2024年的5325种,整体影响力稳步提升。
2025-11-11 10:04
空天地一体化网络作为国家信息化的重要基础设施,其战略意义远超普通通信技术范畴,它不仅是我国实现信息全球覆盖、自主创新的必由之路,更是在数字时代掌握发展主动权的关键布局。
2025-11-11 10:02
拔尖创新人才培养不是考验瞬间爆发力的短跑,而是需要长期持久力的马拉松。 在课程体系搭建上,北航实验学校打造了“五级阶梯式”科技创新人才贯通培养课程群,实现从基础普及到进阶的无缝衔接。
2025-11-11 10:00
日前,国务院办公厅印发《关于加快场景培育和开放推动新场景大规模应用的实施意见》(以下简称《意见》),对相关工作作出部署。
2025-11-11 09:50
11月9日,国航C919重飞“两航起义”航线主题航班从香港飞抵天津,重温76年前“两航起义”的北飞航程,致敬“两航起义”爱国壮举。“两航”后代陈绍曾介绍,76年前,“两航起义”飞行员从香港驾驶12架飞机飞抵北京、天津,建设新中国民航事业。
2025-11-10 10:10
“超级细菌”指那些对多种抗生素具有耐药性的细菌。研究人员在一种常用药物的生产流程中意外发现一种很有前景的强效抗生素,能够杀死耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等“超级细菌”。
2025-11-10 10:09
11月9日,2025年世界互联网大会乌镇峰会在浙江乌镇闭幕。世界互联网大会秘书长任贤良用“聚焦构建网络空间命运共同体理念”“关注创新发展热点议题”“不断擦亮峰会品牌”“持续贡献智慧力量”概括了本届峰会的特点。
2025-11-10 10:08
加载更多