宇宙雾里看花（1）：天文观测与星际消光

　　生活在地球表面的我们，眼里的世界无比美好。只有在汽雾蒸腾或者风沙来袭的时候，人们才明显的感到景色模糊，视物难辨。于是就有了雾里看花这种感受。通常情况下，人们甚至忽略了空气的存在。实际上，外面世界的光线到达我们的眼睛时，或多或少都会受到物体与眼睛之间物质的影响。在提倡环境保护的当下，人们更多是通过眼睛去感受空气的质量。雾霾会导致能见度降低，使蓝天变得灰蒙蒙的。霾，即空气中的灰尘，我们所说的pm2.5，实际是尺寸为2.5微米的颗粒物，是空气中能损害人们健康的污染物代表。

　　对星空爱好者而言，一个好的观星环境非常重要。除了躲避城市灯光之外，通透的大气也是获得更好感受的关键因素。来自遥远天体的光线，在到达我们眼睛之前穿越了很长的距离，地球大气只是最后的一段。对于专业天文学家而言，在这个很长的距离上（包括末端的地球大气）存在什么物质就变得非常重要了，因为如果不去除这些物质对光线的影响，天文观测真的就成了雾里看花。我们先来说说地球大气外光线传播受到的影响，在天文学中叫做星际消光。

　　星际空间存在气体和尘埃，他们会削弱我们探索宇宙天体的视线，产生类似雾霾中观看景物的效果。当我们仰望夏季星空时，繁星之间并不是空无一物，会看到银河中像乌云一样的纤维状和块状物，这些就是银河系中的“雾霾”，称之为星际尘埃。除了这些固态尘埃颗粒，星际空间中还有气体，它们统称为星际介质。星际介质的密度非常低，比我们地球上任何人工制造的真空还低。例如，我们呼吸的空气中每立方厘米有三十亿个分子，而太阳系附近的星际气体每十立方厘米才有一个原子。星际气体主要是氢，含有少量氦和少量较重的元素。星际尘埃颗粒主要是碳、硅酸盐、冰和铁的化合物。

　　星际尘埃本身不发光，但是当恒星发出的光穿过尘埃时，紫外到红外波段的光都会被减弱。这种星际尘埃对星光吸收和散射照成星光减弱的现象，我们称之为星际消光。正是星际空间中的这些不起眼的小物质使我们观测星空时犹如雾里看花，终隔一层。

　　星际消光的强弱程度取决于几个因素，包括尘埃聚集的厚度和密度，以及光线的波长（颜色）。如果尘埃密度大、足够厚，光线就会被完全遮挡，导致黑暗区域。这些类似“乌云”被称为暗星云，如下图的分子云巴纳德68和马头星云。

分子云巴纳德68。Credit: FORS Team, 8.2-meter VLT Antu, ESO

　

马头星云。Credit: Website of University of Arizona

　　由于星际尘埃颗粒的尺寸分布在零点几纳米到几微米之间，并且小尺寸尘埃的数量要比大尺寸尘埃的数量多得多，所以星际尘埃对不同波长的光的吸收和散射是有偏向性的。星际消光在紫外和可见光波段比红外波段更强，这意味着到达我们的星光比没有星际尘埃时要红得多。这种效应被称为星际红化。这个过程与日落时使太阳变红的过程类似。反过来，被星光照亮的尘埃云呈蓝色，如下图卵星云所示。这类似于我们看到的蓝天，它是由地球大气层散射的阳光产生的。

　　

卵星云。Credit: Raghvendra Sahai and John Trauger (JPL), the WFPC2 science team, and NASA/ESA

　　穿过星际尘埃的光除了被阻挡通过外，也可以从尘埃云中反射出来。例如马头星云图像的左下角的蓝色亮点，这是一个反射星云。反射星云是恒星周围的尘埃气体区域，尘埃反射星光，使其对我们可见。例如下图由哈勃太空望远镜拍摄的位于猎户座中的星云NGC1999。

　　

反射星云NGC1999。Credit: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI)

　　回到我们生活的星球，我们都认同，雾霾是一种灾害天气，对身体不好，尤其是青少年的成长。正相反，星际中的雾霾却是恒星的摇篮。如果把密度很高的云团中的尘埃和气体攒起来，再挤压，分子云中的致密区域发生引力坍缩，最终形成一颗新的恒星，通常需要上百万年才能产生一颗恒星。例如下图是邻近旋涡星系M33中的星云NGC604（位于270万光年之外的三角星座）的恒星育儿所。我们自己的太阳系很可能也是这样诞生的，所以我们都是由星尘组成的。随着恒星演化，最终回归星尘，并重新开始循环。

　　

星云NGC604。Credit: Hubblesite.org

　　下图为我们展示了宇宙尘埃的生命循环。尘埃在恒星中形成，并在恒星演化的最后阶段释放到星际介质中（恒星的星风或大质量恒星的爆炸中被吹走）。然后，尘埃在恒星之间的气体云中被“回收”，聚集成云，尘埃颗粒通过辐射过程冷却，再通过凝结而增大，再形成行星的种子。当新一代恒星开始形成时，其中一些尘埃被消耗掉。随着新一代恒星演化到脱离主星序时，这个周期又开始了。

　　

宇宙尘埃的生命循环。Credit: the website of Herschel Space Observatory

　　作者简介

　　王舒，国家天文台助理研究员。2016年在北京师范大学天文系获得博士学位，同年获得“博士后创新人才支持计划”，北京大学KIAA fellow。研究内容主要包括星际消光，星际尘埃的性质和尘埃消光模型。

　　陈孝钿，国家天文台助理研究员。2016年在北京大学获得博士学位，主要从事恒星物理与宇宙距离尺度研究。