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

  • 2026首届上海商业航天大会暨展览会开幕

  • 安徽五河:纺织服装产业转型升级助力县域经济发展

独家策划

推荐阅读
多牵头国际大科学计划  牵头组织实施国际大科学计划,是中国推动世界科技创新、应对全球共同挑战的重要路径,也是深度参与全球科技创新治理、加快建设科技强国的战略举措。
2026-03-13 10:03
12日,十四届全国人大四次会议表决通过了《中华人民共和国生态环境法典》。非洲“绿色长城”毛里塔尼亚国家署官员艾莎·穆罕默德·布哈里·娜迪称赞说,生态环境法典体现了中国系统性应对生态和气候问题的“长期坚定承诺”。
2026-03-13 10:02
谈及国际深海矿产开发局势,孙黎表示,当前全球深海采矿虽处于试验阶段,但各国布局势头迅猛,竞争日趋激烈。潘越建议,司法应该向社会积极传递“损害必偿、犯罪必究”的清晰信号,为海洋经济高质量发展清淤护航。
2026-03-13 10:12
当春风拂过河套平原,“沉睡”一冬的黄河“醒了”。
2026-03-13 10:08
3月12日,十四届全国人大四次会议表决通过《中华人民共和国生态环境法典》。根据代表意见,法典中增加了关于鼓励和引导使用再生水、推进生活节水的规定,并对未经批准擅自取用地下水的违法行为提高罚款上限。
2026-03-13 10:04
助力人与自然和谐共生  “十五五”时期,推进长江经济带发展、黄河流域生态保护和高质量发展,是一项重要工作。
2026-03-13 10:03
光明日报北京3月12日电 记者张晓华12日从国家航天局获悉,天问三号火星取样返回任务通过前期的技术攻关和深化论证,相关关键技术均取得突破性成果,工程主线正在开展初样研制,计划今年转入正样研制阶段,各项工作进展顺利。
2026-03-13 10:02
电子的单向开关,奠定了现代信息社会的基石。“在单原子层厚的石墨烯上,刻出一个大小精确、形状不对称的孔,无异于在头发丝上雕巨型画作。
2026-03-13 10:01
“十五五”时期,香港要主动参与国家战略布局,将自身的国际化优势、专业服务优势与国家的发展需求精准对接,为实现更高水平的开放合作贡献香港力量。在科研方面,香港科研基础扎实,有实力承担国家重大科研任务;香港科学家对参与国家科技计划、推动国家科技创新怀有很高的热情和积极性。
2026-03-12 10:30
心脑血管疾病已成为威胁我国人民生命健康的“头号杀手”。与此同时,心脑血管疾病发病及致残、致死呈现出明显的年轻化趋势,疾病负担持续加重,对我国推进健康中国建设、实现全民健康目标构成了挑战。
2026-03-12 10:30
对此,应该充分发掘当地的生态价值和文化价值,探索因地制宜的保护路径,保留浓郁“农味”与“地方味”,让古老农耕智慧、生态智慧在当代生活中延续生机、展现活力。这样不仅有助于实现农文旅融合发展,还能给我们的子孙后代保留良好的生态环境和生态景观,接续传承好丰厚灿烂的生态文化。
2026-03-12 10:30
今年政府工作报告提出,深化拓展“人工智能+”,促进新一代智能终端和智能体加快推广,推动重点行业领域人工智能商业化规模化应用,培育智能原生新业态新模式。张壮代表说,在竞逐人工智能创新的赛道上,柳州加速布局。
2026-03-12 10:30
记者詹媛11日从中国科技馆了解到,我国的科普大篷车项目自2000年启动实施以来,以“科普轻骑兵”的方式活跃在祖国大江南北,将前沿科技动态、趣味互动展品、优质科教资源送到基层公众身边。
2026-03-12 10:30
“龙虾”智能体通过整合调用通信软件和大语言模型,在用户本地电脑自主执行文件管理、邮件收发、数据处理等复杂任务。”魏亮说,有关方面也会持续做好安全监测,如发现相关安全风险将及时预警,为用户安全使用提供必要的技术支持。
2026-03-11 09:36
作为人类的“第二大脑”,AI for Science正在全球范围内引发科研范式的深刻变革,也成为全国两会期间代表委员关注的话题。3月7日,在全国政协十四届四次会议第二次全体会议上,全国政协委员、中国科学院院士周志华发言建议,以人工智能引领科研范式变革。
2026-03-11 09:36
全国政协委员、中国科学院院士、南京大学副校长周志华在接受光明网记者采访。
2026-03-11 07:00
以医工交叉+成果转化为抓手,凭借硬核科创成果精准攻坚,同时高标准建设国家药监局监管科学创新基地,为产业发展提供标准与工具支撑。
2026-03-11 09:33
作者:余有成 张立华 吴 飞(分别系中国人工智能学会副秘书长;复旦大学智能机器人研究院常务副院长、特聘教授;我国的独特优势,在于探索出一条“软件定义算力、算法驱动效能、人工智能+赋能场景”的创新路径。
2026-03-11 09:32
具体而言,在种植与流通环节,中药农业面临良种普及率不高、生产种植分散、标准化程度偏低等现实问题。可制定国家统筹的野生资源抚育与替代技术攻关清单,利用大数据监测价格与供给波动,增强产业链供应链韧性。
2026-03-11 09:31
光明日报北京3月10日电 记者张晓华从中国航天科技集团获悉,目前中国探月工程四期正稳步推进,2026年将研制发射嫦娥七号探测器,首次奔赴月球南极,寻找水冰存在的证据。中国航天科技集团五院研究员孙泽洲表示,在行星探测方面,未来我国还将发射天问三号和天问四号。
2026-03-11 09:30
加载更多