20.1: 星际介质

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

解释银河系中有多少星际物质，以及它的典型密度是多少
描述星际介质是如何分为气态和固体成分的

天文学家将恒星之间的所有物质称为星际物质；整个星际物质的集合被称为星际介质（ISM）。一些星际物质集中在巨云中，每一个都被称为星云（复数 “星云”，拉丁语意为 “云”）。最著名的星云是我们可以看到发光或反射可见光的星云；本章中有许多关于这些星云的图片。

星际云不会持续到宇宙的整个生命周期。相反，它们就像地球上的云一样，不断移动，相互融合，生长或分散。有些变得密集和巨大，足以在自身的重力下崩溃，形成新的恒星。当恒星死亡时，它们反过来会将一些物质射入星际空间。然后，这种物质可以形成新的云层，重新开始循环。

恒星之间约有99％的物质是气体的形式——也就是说，它由单个原子或分子组成。这种气体中最丰富的元素是氢气和氦气（我们看到氢气和氦气也是恒星中最丰富的元素），但气体还包括其他元素。有些气体是分子的形式，即原子的组合。剩余的1％的星际物质是固体冻结粒子，由许多原子和分子组成，这些原子和分子被称为星际颗粒或星际尘埃（图\(\PageIndex{1}\)）。典型的尘粒由岩状材料（硅酸盐）或石墨的核心组成，周围环绕着一层冰层；水、甲烷和氨可能是最丰富的冰。

各种类型的星际物质。在这张宽视野图像中，天蝎座星座中最亮的恒星安塔尔位于左下角。它周围环绕着微红的雾气。安塔尔右边是球状星团 M4。左中有一颗明亮的恒星被反射星云的蓝色光芒所包围，而在右中央，另一颗明亮的恒星被红色星云包围。在这两颗恒星上方，一颗黑暗的星云蜿蜒穿过图像，阻挡了后面的光线。最后，在顶部中心，一颗明亮的恒星被大面积的蓝色反射雾化所环绕，周围环绕着黑暗的尘埃通道。 — 计算\(\PageIndex{1}\)各种类型的星际物质。这张壮观照片中的红色星云在氢原子发出的光下发光。最黑暗的区域是尘埃云，它们阻挡了来自后面恒星的光线。画面的上半部分充满了热星反射出的蓝光，这些光芒嵌入在巨大而凉爽的尘埃和气体云的郊区。在画面的左下角，酷炫的超级巨星安塔尔可以看作是一个大而红色的斑块。这颗恒星正在脱落一些外部大气层，周围环绕着它自己形成的云层，它反射了恒星的红光。右中角的红色星云部分围绕着 Sigma Scorpii 恒星。（在安塔尔右边，你可以看到 M4，这是一个由极其古老的恒星组成的距离更远的星团。）

如果银河系内的所有星际气体都能平稳分布，那么星际空间中每立方^厘米只有大约一个气体原子。（相比之下，你正在读这本书的房间里的空气每立方厘米大约有 1019 个原子。）尘粒甚至更稀少。 ^{一千米的空间只能包含几百到几千个微粒，每个颗粒的直径通常小于万分之一毫米。} 但是，这些数字只是平均值，因为气体和尘埃以零散和不规则的方式分布，就像地球大气中的水蒸气通常集中在云层中一样。

在一些星际云中，气体和尘埃的密度可能比平均值高出多达一千倍或更多，但即使是这种密度也比我们在地球上所能制造的任何密度都更接近于真空。为了说明我们的意思，让我们想象一根垂直的空气管从地面到达地球大气层的顶部，横截面为 1 平方米。现在，让我们把同样大小的管子从大气层顶部一直延伸到可观测宇宙的边缘，距离超过100亿光年。尽管如此，第二根管所含的原子仍将比地球大气层中的原子少。

虽然星际物质的密度非常低，但发现这种物质的空间体积很大，因此其总质量很大。要了解原因，我们必须记住，恒星只占银河系体积的一小部分。例如，光的传播距离等于太阳直径的距离只需要大约四秒钟，但从太阳传播到最近的恒星需要四年以上。尽管星空中的空间人烟稀少，但那里还有很多空间！

天文学家估计，银河系中气体和尘埃的总质量约等于恒星所含质量的15％。这意味着我们银河系中星际物质的质量约为太阳质量的100亿倍。银河系中有大量的原材料可以制造出几代新的恒星和行星（甚至可能是天文学专业的学生）。

示例\(\PageIndex{1}\)：估算星际质量

你可以粗略估计我们的银河系包含多少星际质量，以及这个星际物质可以产生多少新恒星。你只需要知道银河系有多大，以及使用这个公式的平均密度：

\[ \text{total mass } = \text{ volume } \times \text{ density of atoms } \times \text{ mass per atom } \nonumber\]

你必须记住使用一致的单位，例如米和千克。我们将假设我们的银河系形状像圆柱体；圆柱体的体积等于其基础面积乘以其高度

\[V=\pi R^2h \nonumber\]

其中\(R\)是圆柱体的半径，\(h\)是其高度。

假设我们银河系中氢气的平均密度为每立方厘米一个原子 ³。每个氢原子的质量为 1.7×10 ⁻²⁷ 千克。如果银河系是一个直径为100,000光年、高度为300光年的圆柱体，那么这种气体的质量是多少？如果这些气体全部变成恒星，能产生多少太阳质量的恒星（2.0×10 ³⁰ kg）？

解决方案

回想一下 1 光年 = 9.5×10 ¹² km = 9.5×10 ¹⁷ cm，所以银河系的体积是

\[ V= \pi R^2 h = \pi \left( 50,000 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right)^2 \left( 300 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right) = 2.0×10^{66} \text{ cm}^3 \nonumber\]

因此，总质量为

\[M=V \times \text{ density of atoms } \times \text{ mass per atom} \nonumber\]

\[2.0 \times 10^{66} \text{ cm}^3 \times \left(1 \text{ atom/cm}^3 \right) \times 1.7 \times 10^{–27} \text{ kg} =3.5 \times 10^{39} \text{ kg} \nonumber\]

这足以使

\[N= \frac{M}{\left( 2.0 \times 10^{30} \text{ kg} \right)}=1.75 \times 10^9 \nonumber\]

恒星的质量等于太阳。那大约是20亿颗恒星。

练习\(\PageIndex{1}\)

你可以使用相同的方法来估计太阳周围星际气体的质量。从太阳到最近的另一颗恒星 Proxima Centauri 的距离为 4.2 光年。我们将在《太阳周围的星际物质》中看到，太阳附近的气体密度低于平均水平，约为每立方^厘米0.1个原子。以太阳为中心并延伸到 Proxima Centauri 的球体中的星际氢气总质量是多少？这与太阳的质量相比如何？记住球体的体积与其半径有关，这很有帮助：

\[ V=(4/3) \pi R^3 \nonumber\]

回答

从太阳延伸到 Proxima Centauri 的球体的体积为：

\[V=(4/3) \pi R^3=(4/3) \pi \left( 4.2 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right)^3=2.7×10^{56} \text{ cm}^3 \nonumber\]

因此，该球体中氢的质量为：

\[M=V \times \left( 0.1 \text{ atom/cm}^3 \right) \times 1.7 \times 10^{–27} \text{ kg } = 4.5 \times 10^{28} \text{ kg} \nonumber\]

这只是太阳\( \left(4.5 \times 10^{28} \text{ kg} \right)/ \left(2.0 \times 10^{30} \text{ kg} \right) = 2.2 /%\)的质量。

命名星云

当你查看本章中一些壮观照片以及《恒星的诞生和太阳系外行星的发现》的标题时，你会注意到星云的名字种类繁多。有些在小型望远镜中看起来像是可识别的东西，有时是以它们相似的生物或物体命名的。例子包括螃蟹、狼蛛和锁孔星云。但是大多数天体目录中只有作为条目的数字。

也许最著名的星云（以及星团和星系）目录是由法国天文学家查尔斯·梅西耶（1730—1817 年）编制的。梅西耶的热情是发现彗星，他对这一事业的热爱为他赢得了路易十五国王的 “The Comet Ferret” 的绰号。当第一次看到彗星朝向太阳时，它们看起来像一小块模糊的光块；在小型望远镜中，它们很容易与星云或许多恒星群混为一谈，以至于它们的光线全部融合在一起。梅西耶一次又一次地跳了起来，因为他以为自己发现了一颗珍贵的彗星，却发现自己 “只是” 观察了星云或星团。

沮丧的是，梅西耶着手对100多个可能被误认为是彗星的物体的位置和外观进行分类。对他来说，这份清单只是更重要的彗星狩猎工作中的一个工具。如果他今天回来后发现没有人回忆起他的彗星，他会感到非常惊讶，但是他的 “不是彗星的模糊东西” 目录仍然被广泛使用。当图\(\PageIndex{1}\)指的是 M4 时，它表示梅西耶列表中的第四个条目。

1888 年，在爱尔兰阿尔玛天文台工作的约翰·德雷尔（John Dreyer）以《星云和星团新总目录》（NGC）为标题编制了一份内容更为广泛的清单。他的汇编以威廉·赫歇尔和他的儿子约翰以及许多其他关注他们的观察者的作品为基础。随着另外两个清单（称为索引目录）的增加，德雷尔的汇编最终包括了13,000个对象。如今，天文学家在提及大多数星云和恒星群时仍然使用他的 NGC 数字。

摘要

银河系中约有15％的可见物质是气体和尘埃的形式，是新恒星的原材料。这种星际物质中约有99％是气体的形式——单个原子或分子。星际气体中最丰富的元素是氢气和氦气。大约1％的星际物质是固体星际尘粒的形式。

词汇表

星际尘埃: 星际空间中的微小固体颗粒被认为由岩状物质（硅酸盐）或石墨的核心组成，周围环绕着冰层；水、甲烷和氨可能是最丰富的冰

星际介质 (ISM): （或星际物质）星系中恒星之间的气体和尘埃

星云: 由星际气体或尘埃组成的云；该术语最常用于可见光或红外线下会发光的云