今日天文恒星从诞生到死亡第七章读书笔记(七)
7.星际介质
7.1星际介质
1.图7.1是一幅拼接而成的图片。图中黑暗的区域并不是恒星之间的空洞区域。因为星际介质阻挡了位于其后面的恒星的光芒，所以使本来由恒星组成的相当平滑的明亮区域变成了黑暗的"空洞"。
2.如图7.1可以看出，星际介质的分布非常不均匀。
- 在某些区域，星际介质的分布十分稀薄，对光线的阻挡十分微弱，使得我们足以观测到距离太阳十亿秒差距的天体。
- 在另外一些方向上，存在一定量的星际介质，对光线有一定的阻隔，这使得我们难以看到距离我们几千秒差距的天体，但是邻近的恒星却依然可见。
- 还有一些区域因为星际介质的严重阻挡，即便是来自离我们很近的恒星光线都被吸收了，使我们无法从地球上观测到这些恒星。
3.恒星之间的物质的集合称为星际介质，它主要由气体和尘埃两部分组成，二者混合在星际空间中。
4.气体成分主要由原子构成，它们的平均大小约为0.1nm，此外还有一些直径不超过1nm的小分子。
5.星际尘埃则要复杂得多，它由成团的原子和分子组成。
6.除去众多原子和分子气体的窄吸收线，气体本身不会再吸收更多辐射了。如图7.1中明显的遮挡是由尘埃造成的。
7.我们可以利用尘埃的遮挡来测量星际尘埃的数量和大小。
8.尘埃颗粒倾向于更有效地阻挡短波的光辐射。
9.给定大小的尘埃颗粒来说，波长越短的光，受到尘埃阻挡(吸收和散射)的总量就会越多。
10.真实的星际尘埃粒子，或称尘埃颗粒，直径大约为0.1μm，与可见光的波长相当。因此，尘埃对长波的电磁辐射，即射电和红外辐射来说是透明的，而对光学和紫外这些短波辐射来说是不透明的。星际尘埃对星光总的消弱作用被称为消光。
11.由于星际介质对短波的阻挡能力强于长波辐射，因此，在来自遥远恒星的光线中，频率更高的光子会更容易被星际介质所"劫持"。所以，除了恒星的亮度一般会被削弱之外，恒星看起来倾向于比真实情况更红。这种效应被称为红化。
12.如图7.2a所示，消光和红化可以改变恒星的视亮度和颜色。然而，我们仍然可以从到达地球的光谱中辨认出恒星原本的吸收线，因此，我们可以根据吸收线把恒星归为不同的光谱型。
13.天文学家可以利用这一事实来研究星际介质。
- 天文学家通过主序星的光谱和光度类型来了解恒星的真实的光度和颜色。
- 然后，他们再测量恒星光线在前往地球的路途中所受的消光和红化程度。
- 接着，这些测量结果使得天文学家可以估计在朝向恒星的视线方向上的星际尘埃颗粒的数量和尺寸大小。
14.如图7.2b展示了一类被称为球状体的致密星际尘埃云，从图中可以清晰地看出尘埃云的红化作用。我们将这团云的中心区域称为"巴纳德68"，其中光学波段的所有辐射都被阻挡了，因此星光无法穿过此区域。
15.尽管如此，在尘埃云的边缘区域，由于吸收光子的星际介质相对较少，因此一些光可以穿过这些区域。值得注意的是，尘埃云对恒星的消光和红化作用是相对的，这与观测方式有关。
16.银河系内没有一处真正意义上的虚空，星际空间中处处都有气体和尘埃。尽管如此，星际介质的密度还是非常低的。星际气体的整体平均密度大约是每立方米有个原子，即每立方厘米有一个原子。
17.不过，星际气体的密度在不同的空间区域内大相径庭，可以从每立方米个原子到每立方米个原子。如此稀疏的物质密度远比地球上的实验室能够制造出的最好真空要低得多。
18.星际尘埃比气体更加稀少。空间中平均约万亿个原子才对应有1颗尘埃颗粒------每立方米的空间中只有个尘埃颗粒。每立方千米的空间中才有1000个尘埃颗粒。在星际空间的某些区域内，尘埃和气体非常稀薄。
19.如此稀薄的物质可以有效地减弱辐射的原因是：恒星之间典型的距离远比恒星本身的大小要大得多。
20.例如，假想一个圆柱体，其截面积为1㎡，其长度等于从地球到半人马座阿尔法星的距离。这样的一个圆柱体内可以包含超过1000亿亿个尘埃颗粒。在这样对的巨大尺度上，尘埃颗粒慢慢地堆积，但最终一定会有效地阻挡可见光以及其他短波长的电磁波。
21.尽管如此，物质的密度仍旧非常低，太阳临近区域内的星际空间中所包含的物质几乎与以恒星形式存在的物质差不多一样多。
22.尽管星际尘埃很稀薄，但是透明将宇宙变成了一个相对雾霾漫天的地方。相比之下，地球大气要干净100万倍。
23.单个尘埃颗粒呈现椭球或圆柱体形状。
24.恒星的光线经过星际介质后会减弱，并且会产生部分偏振，因此推断出，尘埃应该具有纵向排列的结构。
25.在通常情况下，这些电磁波的指向是随机分布的，即辐射是非偏振的。恒星从光球层发出的辐射是非偏振的。然而，在适当情况下，电磁辐射在通往地球的过程中可以被偏振化，电场的振动方向此时会几乎都在同一个平面内。电磁辐射与形状细长的尘埃相互作用就会产生上述情况，尘埃会吸收振动方向上与其长轴平行的电磁波。
26.因此，望远镜监测到的偏振光可能是由视线方向上的观测对象与地球之间的星际尘埃所造成的。基于上述情况，偏振的产生不仅是因为尘埃一定具有细长的形状，同时也是因为在同一广阔的星际空间中，这些尘埃都趋于按相同的方向排列。
27.尘埃颗粒受到微弱的星际磁场的影响，这些星际磁场的强度可能大约是地球磁场强度的百万分之一。
7.2发射星云
1.下图7.3是图7.1中心区域的放大图，这个区域位于人马座，整个区域星罗棋布，富含星际介质。图中M20、M8等天体是发射星云------发光的云和炽热的星际介质。
2.星云很多都是星际气体和尘埃。
3.如果星云遮挡了视线方向上后面的恒星，那么我们就会在明亮的天空背景上看到一小块黑色的区域，如图7.1、图7.2b、7.3所示，我们称之为暗云。
4.但如果星云内部有一些天体，例如年轻的恒星，能使这团云发光，那么我们就会看到明亮的发射星云。
5.图7.4中a图，我们利用分光视差法测量出了这几个发射星云内部的可见的恒星，其距离地球的范围大概是从1200pc到1800pc之间。总而言之，这四个星云的距离都接近隐藏在银河系尘埃盘内天体可见极限。M16到M20的距离大概是1000pc。
6.如图7.4中b图(M82~M8区域)是图7.4a底部区域的一个放大图、图中位于上面的星云是M20、下面的是M8，它们之间只相隔几度。图7.4c图(三叶星云)是图b上面部分的放大图，显示了M20更多的细节及其周围的环境。
7.图7.4a至图7.4c所展示的发射星云是一些发光的电离气体，其中心或附近都至少有一颗刚刚形成不久的O型或B型星，它们在星云里产生了大量的紫外辐射。
8.随着紫外光子从恒星向外逃逸，它们会紧接着电离周围的气体。电子跟原子核复合之后便会辐射出可见光，使得气体云发光，甚至发出荧光。
9.所有的发射星云发出的光偏红，这是因为其中的氢原子辐射出的光子处于电磁波谱的红端，即它们辐射出的电磁波波长为656.3nm(Hα谱线辐射)。星云中气态元素也会产生复合发射的现象，但氢原子在宇宙中非常丰富，以至于其辐射占主导地位。
10.在发光的星云中有着交错贯穿的尘埃暗带。这些尘埃带是星云的一部分，并非是挡在视线方向上的。
11.在图7.4b~图7.4c图，出现在M20上面的蓝色区域是另外一类星云，它与红色的发射星云之间并没有关联，我们称其为反射星云。
12.反射星云中的尘埃颗粒将M20中发出的恒星光散射(光束通过不均匀媒质时，部分光束将偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象.)了，因而看上去是在发出蓝光。
13.反射星云看起来偏蓝跟地球蓝色的天空原理相同------波长更短的蓝光更容易被星际介质散射并传向地球，落在探测器上。
14.瑞利定律。散射体为光的波长的十分之一左右，散射体的形变不再重要，可以近似为圆球。对入射光散射所遵循的规律是，散射光和入射光频率相同，散射光的强度和散射方向有关，并和频率的四次方成正比。按这一定律，高频光的散射比低频光要强得多，如太阳光中蓝色光被微小尘埃的散射要比红色光强十倍以上。晴朗的天空之所以呈浅蓝色，就是大气散射太阳光的结果。大气的散射一部分来自悬浮的尘埃，大部分是密度涨落引起的分子散射。
15.图7.5描述了发射星云的重要特征，展示了它与其中心恒星、星云本身以及周围星际介质之间的关联。
16.图7.6展现了图7.4a图两个星云放大的细节特征。图7.6a和图7.6c中，发射星云内部有炽热、明亮的恒星，而且星云的主导辐射是红光。从图7.6b和图7.6d中可以更清楚地看出星云和其尘埃带之间的关系。
17.如图7.6b中可以清楚地看出恒星和气体之间激烈的相互作用。这张图像上的三个暗柱，是正在形成恒星的星际气体云的一部分。其余在年轻恒星附近的气体云早已被加热，同时在光致蒸发作用下，被恒星所产生的辐射所驱散。
18.图7.6b中柱体边缘的绒毛状机构，特别是在顶部右侧以及中间部分，正是由正在进行的光致蒸发作用所产生的。随着光致蒸发作用的继续，不太致密的星际介质首先被耗尽，而先前气体云中较为致密的部分得以保留下来。
19.柱状结构最终会被摧毁，但或许至少在未来的几百或几千年内还不会发生。
20.光谱学就用一个紧跟在原子的元素符合后面的罗马数字表示该原子的电离态，Ⅰ表示中性原子(未被电离)，Ⅱ表示一次电离的(原子中有一个电子被电离)，Ⅲ表示二次电离的(两个电子被电离)。
21.因为发射星云主要由被电离的氢原子构成，因此通常也被称作电离氢区(HⅡ)。由中性氢(氢原子)主导的区域被称为中性氢区(HⅠ区)。
22.发射星云发出的光子没有足够的能量电离星云中的气体，因此它们可以不受影响地穿过星云。通过研究这些低能量的光子，我们可以深入地了解发射星云的性质。
23.发射星云由热且稀薄的气体构成，这些气体会产生发射线。当分光镜对准恒星时，我们会看到熟悉的恒星光谱，这一光谱由黑体连续谱和一些吸收线构成，同时叠加了来自星云气体的发射线。
24.天文学家发现发射星云中的许多谱线在地球上的实验室里都没有相应的结果。比如图7.7b和图7.7c中的那种绿光。随着对原子的深入理解，天文学家意识到这是来自二次电离氧原子中电子的跃迁。
25.然而，由于氧原子的结构，跃迁过程中较高能态的离子趋向于更长时间地保持自己的状态。事实上，这比回落到较低能态并辐射出光子的时标还要长。
26.只有当该离子在这段时间内不受任何干扰，且没有因为与气体中的其他原子或分子的随机相互作用而被激发到其他能级时，这个离子才会从前面提到的较高能级跃迁到较低能级，从而辐射出光子。
27.我们把地球上，这种辐射发生的概率非常低，以至于几乎永远不可能发生的谱线称作禁线。而在一个特定的发射星云中，其密度是如此之低，以至于任何两个粒子之间的碰撞都变得极为罕见。处于激发态的离子有足够的时间退激发从而辐射出禁线。
28.星际空间中某些区域极度稀薄，且有比发射星云温度还高的气体。空间望远镜的紫外观测发现了这些被极度加热的星际"气泡"，它们组成了云际之间的介质，可以延伸到更广阔的空间当中。这些区域虽然温度高，但比较暗，因为它们的物质密度低。
7.3暗尘埃云
1.在广袤的星际黑暗虚空中潜藏着另一类天体------暗尘埃云。暗尘埃云甚至比周围的环境温度还要低(最低只有几十开尔文)，但却比周围的密度高几千乃至几百万倍。
2.暗尘埃云通常被称为致密星际气体云，即便是这些区域内最致密的星际介质，其密度也仍然要比地球实验室里所能达到的最好真空还要低得多。
3.星际空间中的气体云大部分都比太阳系大得多，有的一些甚至能延绵数秒差距。这些云主要由气体构成，对星光的遮挡和吸收几乎全部是因为自身所含的尘埃。
4.如图7.8是另外一个壮观的暗尘埃云的大视场图像。根据它旁边的恒星系统，我们将其命名为蛇夫座ρ。这片尘埃云距离太阳大约170pc，使之称为我们在银河系内研究得最多的一个恒星形成区。
5.尘埃和气体大量聚集的黑暗区域彻底遮蔽了背景恒星的光。蛇夫星云有数秒差距大，但他只是图7.1拼接的一个微小区域。
6.蛇夫星云也具有不规则的形状，特别是其左上部由致密的尘埃和气体组成的长暗"条"结构。相反，黑暗区域中的亮块是一些前景天体------比如发射星云和一些成团的明亮恒星。
7.暗云中的气体吸收来自恒星的辐射，而这种吸收又取决于暗云本身的温度、密度和元素丰度。
8.因此，这些吸收线能够为我们提供这些黑暗星际介质的相关信息，就像是恒星光谱里的吸收线能够帮助我们了解恒星性质一样。
9.图7.9a演示了一颗恒星的光在到达地球之前可能会穿过多个星云。每片星云根据自己的温度、密度、速度和元素丰度在恒星光谱上产生不同的吸收线。图7.9b展现了上述过程所产生的一部分典型光谱。
10.窄吸收线包含星际暗云的相关信息，就如同恒星光谱中的吸收线可以揭示恒星的性质，也类似发射星云的发射线可以告诉我们炽热星云的物理状态一样。
7.4 21厘米射电辐射
1.通过星际气体本身产生的低能量射电辐射，我们能够探测宇宙空间中任意一处冷的、中性星际介质自身辐射的方法。
2.电子除了围绕中心质心运转之外，还会围绕本身的自转轴旋转------即自旋。质子也会自旋。这一模型类似行星系统的运动------行星除了要绕中心恒星做公转之外，行星和恒星本身也会绕自身的自转轴自转。
3.行星系统和原子系统的关键不同：行星是可以在任意的轨道上运行，并且自转速度也是自由的；但对原子来说，其所有的物理量都是量子化的------这些量都只能在特定的离散值之间变化。
4.氢原子在基态只有两种可能的自旋状态：
- 电子和质子可以朝向同方向旋转，并且自旋轴相互平行。
- 或者自旋方向反平行(自转轴平行，自旋方向反平行)
5.自旋反平行的状态要比自选平行的状态能量略低。
6.宇宙中物质都倾向于到达其可能的最低能态，星际气体也不例外。被轻微激发的氢原子处于电子和质子自旋方向相同的状态，并最终随着电子突然自发地反转自旋而退激发到与能量较低的自旋方向相反的状态。同时，粒子从高能态到低能态会释放出一个光子，其能量等于上述两个能态之间的能量差。
7.由于能级相差非常小，辐射出来的光子能量就很低。导致光子的波长非常长------实际约21.1cm。这一波长落在电磁波谱的射电部分。天文学家习惯将这条由于氢原子自旋反转而产生的谱线称为"21厘米辐射"。
8.如图7.10显示了宇宙空间中几个不同区域内典型的21厘米射电谱线的特征，它们描绘出我们银河系内寒冷的原子氢。
9.无须借助可见光，射电天文学家就可以观测任何星际区域，只要那里有足够的氢原子，并发出足以被探测的21厘米辐射。
10.如图7.10所示，真实的21厘米谱线有很多锯齿和不规则结构，看上去类似于星云的发射线。
11.这些不规则结构通常源于视线方向上众多的星际气体团块，每块都有不同的密度、温度、视向速度和内禀运动。因此，不同的强度、线宽以及多普勒红移产生了形状各异的21厘米谱线。
12.存在一个问题，所有的原子氢都在辐射21厘米谱线，但如果所有原子最终都会落在较低的能态上，那么为什么银河系内所有的氢原子都没有处于较低的能态中？
13.上述问题的答案在于，这两个能级之间的能量差与一个典型的温度约为100K的原子的能量相当。原子碰撞星际介质，使其获得足够多的能量并被激发到较高的能态，从而使数目足够多的氢原子保持在较高能态上。
14.21厘米辐射的波长远大于星际尘埃的典型大小。因此，21厘米辐射在到达地球前根本不会被星际尘埃散射。
7.5星际分子
1.在一些特别冷(通常为10~20K)的星际区域内，密度可以高达每立方米个粒子。这些区域中的气体粒子不是以原子形式存在的，而是以分子形式存在的。由于这些致密星际区域由分子所主导，因此我们称之为分子云。
2.分子内部的电子可以转动或振动。它们会以特定的方式转动或振动，这取决于量子物理的准则。
3.如图7.11描述了一个简单的分子在快速地转动，分子处于某种转动激发态。根据分子的内部构成，经过一段足够长的时间，这些分子的转动速度就会慢慢变缓。这种变化会使分子释放出一个光子，光子的能量就等于两个转动能态之间的能量差。能量差一般很小，因此它们通常会在射电波段辐射出光子。
4.星际分子只在星际云中最暗、最致密的区域发现的原因：
- 一个可能的原因是，尘埃保护了脆弱的分子不受通常来自严酷的星际空间的侵袭------尘埃通过吸收而阻止了高频辐射被我们探测到的同时，也保护了分子，使他们不会被这些高能辐射所破坏。
- 尘埃作为催化剂，促进了分子的形成。尘埃提供了让原子粘连在一起并发生反应的场所，同时也可以耗散反应过程中产生的热，否则这些热量很可能会破坏新生成的分子。
5.氢分子是目前为止云团中最常见的分子。虽然它含量丰富，但它本身并不辐射或吸收射电辐射。
6.21厘米谱线只对原子氢敏感，而对气态的分子氢不敏感。氢分子应该存在于星际空间中的高密度的、寒冷的团块中。
7.不同分子的转动性质使它们成为适合于探测不同区域、不同物理参量的探针。例如甲醛辐射可能为我们提供某一区域最为有用的信息，而一氧化碳提供另外一处的。这依赖于所研究的星际区域的密度和温度。
8.星际气体的射电图像以及对星际尘埃的红外成像观测都被揭示了在星际空间中，分子云不是独立存在的。相反，它们会组成巨大的分子云复合体，其典型的物理尺度最大能到50pc。目前已知的银河系内这样的巨大复合体大约有一千多个。
9.星际介质时刻处于动态的、永远变化的环境当中。在这样的环境内，能量被刚诞生的恒星释放，超新星驱动了星际气体的大尺度湍动。
10.由上可知，我们看到的冷分子云在气体的整体流动中，其致密气体会被短暂地压缩。
