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星际物质

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主题 恒星主题

星际物质(缩写为ISM)是存在于星系恒星之间的物质和辐射场(ISRF)的总称。星际物质在天文物理的准确性中扮演着关键性的角色,因为它是介于星系和恒星之间的中间角色。恒星在星际物质密度较高的分子云中形成,并且经由行星状星云恒星风、和超新星获得能量和物质的重新补充。换个角度看,恒星和星际物质的相互影响,可以协助测量星系中气体物质的消耗率,也就是恒星形成的活耀期的时间。

以地球的标准,星际物质是极度稀薄的等离子气体、和尘埃,是离子原子分子尘埃电磁辐射宇宙射线、和磁场的混合体。物质的成分是99%的气体和1%的尘埃,充满在星际间的空间。这种极端稀薄的混合物,典型的密度从每立方米只有数百到数亿个质点,以太初核合成的结果来看气体的成分,在数量上应该是90%和10%的,和其他微迹的“金属”(以天文学说法,除氢和氦以外的元素都是金属)。

2013年9月12日,美国航空航天局正式宣布,旅行者1号在2012年8月25日已经达到了星际物质(ISM),使其成为第一个这样做的人造物体。星际等离子体和灰尘会被研究直到任务结束的2025年。

旅行者1号是第一个到达星际物质的人造物体。
旅行者1号是第一个到达星际物质的人造物体。

星际物质

星际物质(ISM)
成分 百分比
(体积)
温度
(K)
密度
(原子/cm³)
状态
分子云 < 1 % 20 - 50 102 - 106 氢分子
冷中性物质(CNM) 1-5% 50 - 100 20 - 50 中性氢原子
温中性物质(WNM) 10-20% 6000 - 10000 0.2 - 0.5 中性氢原子
温离子物质(WIM) 20-50% 8000 0.2 - 0.5 游离的氢
H II区 < 1% 8000 102 - 104 游离的氢
气体晕
热离子物质(HIM)
30-70% 106 - 107 10-4 - 10-2 高度游离的
(氢和微迹金属)

这些介质也是造成消光红化的原因。当光线在穿越这些介质的旅程中,光强度的衰减程度与观测的波长有密切的关联,这些星际物质造成光子的散射和吸收,使得肉眼观察的夜晚天空背景变得黑暗。在数千光年范围内的分子云对来自银河盘面的背景星光造成均匀且一致的吸收,使得只有银河盘面的一些裂缝中才有背景星光能被地球上的人类观察到。

远紫外线会被星际物质中性成分吸收,例如原子会吸收121.5奈米的波长的光线,这是来自来曼α线的能量跃迁。因此,距离地球数百光年以外的恒星,在这个波段上所发出的光便几乎无法看见,因为在前来地球的漫长旅程中,这个波长几乎都已经被吸收掉了。

星际物质通常可以依据温度的差异分成三种状态:数百万K的高热气体、数千K的温暖气体、和数十K的冷气体,这些状态是这些气体在温度的平衡上所表现出的冷或热。关于星际物质这三种型态的模型最初是McKee和Ostriker在1977年的一编论文中提出来的。经历了过去四分之一个世纪的研究,在科学界,星际物质在这三种状态上的相对数量仍然有相当大的争议。

未来,对星际物质的研究重点是分子云星际云超新星遗迹行星状星云、和扩散结构。

星云

蟹状星云。这个图片混合了来自哈伯的光学数据(红色)以及来自钱卓的X光图片(蓝色)
蟹状星云。这个图片混合了来自哈伯的光学数据(红色)以及来自钱卓的X光图片(蓝色

星云就是散布在银河系内、太阳系外的一堆堆非恒星形状的尘埃和气体星际物质),它们的主要成分是,其次是,还含有一定比例的金属元素非金属元素。近年来的研究还发现含有OHCOCH₄有机分子

最初所有在宇宙中的云雾状天体都被称作星云。后来随着天文望远镜的发展,人们的观测水平不断提高,才把原来的星云划分为星团星系和星云三种类型。

发现

1758年8月28日晚上,当时受雇天文观测的法国天文学家查尔斯·梅西耶在搜寻彗星的时候,在金牛座发现一个云雾状的斑块。为了让其他人不把这些天体当作彗星,他为此进行了专门的建档。到1784年,他一共找到类似的天体103个,当年在金牛座找到的那个天体被编为M1。(参看梅西耶天体列表

1781年,梅西耶公布了自己的发现。英国天文学家威廉·赫歇耳非常重视,并且亲自逐一对梅西耶发现的这些天体进行了观测核实。他发现其中有些天体确实是云雾状的,他把这些天体称为“星云”。

种类

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以形态划分,可分为:

以发光性质划分,则可分为:

有的星云是恒星的出生地,星云的尘埃在引力下渐渐收缩成为新的星,如猎户座M42星云;也有的是老恒星爆炸后的残骸,如天鹅座的网状星云。由于观测工具的限制,历史上,星系曾与星云混为一谈。

成分

星际物质包括星际气体和星际尘埃。星际气体包括气态的原子分子电子离子等,主要由元素组成,其次是,其元素丰度与恒星基本一致。星际尘埃是直径大约为10-5厘米的固体颗粒,包括冰状物、石墨硅酸盐等,弥散在星际气体当中,质量大约占星际气体的10%。

银河系中的星际物质主要分布在旋臂中,占到了银河系总质量的10%,密度大约为每立方厘米一个原子,这种密度其实很低,在人造的真空中都无法达到。

历史

"星际的"这个名词最早出现在1626年,是弗朗西斯·培根在他的文稿中使用的。他写道:"The Interstellar Skie.. hath .. so much Affinity with the Starre, that there is a Rotation of that, as well as of the Starre." (Sylva §354–5).

自然哲学家罗伯特·博伊尔在1674年的论述中提到:"星际中的空间在享乐主义的观点中是空无一物的"。直到19世纪,星际物质的本质才受到天文学家和科学家的注意。

在1862年,帕特孙写道:"气流引发的颤动,或是震动运动,是以太充塞在空中造成的。"(Ess. Hist. & Art 10)以太的观念延续到20世纪,有些特性被描述出来。在1912年,威廉·亨利·皮克林写道:"造成星际吸收的介质简单的说就是乙太,他会选择性的吸收,就如卡普坦所指出的是一些气体的特性,还有一些自由的气体分子,她们可能是由太阳和恒星经常不断的释放出来…..."

在1913年,挪威的探险家兼物理学家克利欣·白克兰写道:"以我们的观点,假设空间整体充满了电子,各种电子和离子的飞跃,似乎是自然的结果,因为我们假设恒星系统在演化的过程中,不停的将带电的微粒抛射入太空中。因此在宇宙各处,也就是"空无一物"的太空中,都能发现物质充塞著,不仅是在太阳系和星云之中,应该是合情合理的。(See "Polar Magnetic Phenomena and Terrella Experiments", in The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 (publ. 1913, p.720).

在1930年,塞缪尔․L․桑代克记载着: ".. 实在很难相信存在于恒星之间的巨大空间会完全的空无一物,地球的极光可能是被来自于太阳带电粒子,从太阳辐射出来的粒子激发产生的。如果其他数以百万计的恒星也都发射出离子,如果是毫无疑问的,那么星系之间便不可能是绝对的真空了。"

问题

由于大量星际物质的存在,天体发射出来的光线被吸收、减弱,这称作星际消光。此外,天体的光线还被散射,使光线变红,这称作星际红化。在恒星研究中需要对星际红化进行修正。

参考资料

  1. Physical Processes in the Interstellar Medium, L. Spitzer, 1978 (New York: Wiley)
  2. Physics of the Interstellar Medium, J. Dyson, 2nd Ed., 1997 (London: Taylor & Francis)
  3. Wisconsin H-Alpha Mapper Survey
  4. Pickering, W. H., "Solar system, the motion of the, relatively to the interstellar absorbing medium" (1912) Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 72, p.740
  5. Thorndike, S. L., "Interstellar Matter" (1930) Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Vol. 42, No. 246, p.99

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