20.3: 宇宙尘埃

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Nov 1, 2022
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- 20.2: 星际气体
- 20.4: 宇宙射线

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述我们如何探测星际尘埃
了解红外观测在研究尘埃中的作用和重要性
解释 “灭绝” 和 “星际变红” 这两个术语

该图 $\PageIndex{1}$ 显示了一个引人注目的例子，说明了通过大型望远镜看到的实际上是常见的景象：天空中似乎几乎没有恒星的黑暗区域。很长一段时间以来，天文学家一直在争论这些黑暗区域是空的 “隧道”，通过这些隧道我们可以从银河系的恒星之外望向星际空间，还是由某种暗物质组成的云，阻挡了远处恒星的光线。天文学家威廉·赫歇尔（天王星的发现者）认为这是前者，在看到天王星后曾说过：“天堂里确实有个洞！” 但是，人们普遍认为，美国天文学家 E. E. Barnard 从他大量的星云照片中表明后一种解释是正确的（见图中的功能框 $\PageIndex{1}$ ）。

alt — 图 $\PageIndex{1}$ Barnard 68。这个物体最初由 E. E. E. Barnard 编目，是一片黑暗的星际云。它引人注目的外观是因为，由于它离地球相对较近，我们和它之间没有明亮的恒星，而且它的尘埃掩盖了来自其后面恒星的光线。（它看起来有点像侧身的心；一位天文学家把这个物体的照片当作情人节发给他的爱人。）

太空中尘土飞扬的云以多种方式背叛了它们的存在：阻挡来自遥远恒星的光，在光谱的红外部分发射能量，反射来自附近恒星的光，以及使遥远的恒星看起来比实际更红。

爱德华爱默生巴纳德

爱德华·巴纳德（图 $\PageIndex{2}$ ）于1857年出生于田纳西州纳什维尔，父亲去世两个月后，他在恶劣的环境中长大，他不得不在九岁时辍学以帮助抚养生病的母亲。他很快成为当地摄影师的助手，在那里他学会了热爱摄影和天文学，注定会成为他一生的双重激情。他曾担任摄影师助手17年，独自学习天文学。 1883年，他在范德比尔特大学天文台找到了一份助理的工作，这使他终于可以参加一些天文学课程。

巴纳德于 1881 年结婚，为家人盖了一座他买不起的房子。但碰巧的是，一家专利药品制造商为发现任何新彗星提供了200美元的奖金（当时是很多钱）。巴纳德的决心已成为他的特色，他每一个晴朗的夜晚都在寻找彗星。他在1881年至1887年间发现了其中的七个，赚了足够的钱来支付房屋的款项；这座 “彗星之家” 后来成为当地的景点。（在他生命的尽头，巴纳德通过勤奋的观察发现了17颗彗星。）

1887年，巴纳德在新成立的里克天文台找到了职位，在那里他很快与导演爱德华·霍尔顿锁定了号角，爱德华·霍尔顿是一位使巴纳德的生活变得悲惨的管理人员。（公平地说，巴纳德很快就试图为他做同样的事情。）尽管被剥夺了摄影作品所需的望远镜时间，但巴纳德还是在 1892 年设法发现了自伽利略时代以来在木星周围发现的第一个新月，这是一项令人惊叹的观测壮举，为他赢得了世界声誉。现在，他有能力要求更多的望远镜时间，他完善了自己的摄影技巧，并很快开始发布当时拍摄的银河系的最佳图像。正是在这项工作的过程中，他开始研究银河系拥挤的星道中的黑暗区域，并意识到它们一定是巨大的模糊物质云（而不是恒星分布中的 “洞”）。

天文学家历史学家唐纳德·奥斯特布罗克称巴纳德为 “观测狂”：他的日常心情似乎完全取决于他观测之夜天空的晴朗程度。他是一个有动力、神经质的人，担心自己缺乏正规训练，害怕被嘲笑，害怕自己会以某种方式重新陷入年轻时的贫困。他很难度假，只为工作而活：只有重病才能阻止他进行天文观测。

1895年，巴纳德在里克经历了足够的政治斗争，在芝加哥附近的耶克斯天文台接受了一份工作，直到1923年去世。他继续从事摄影工作，出版了自己的照片汇编，这些照片已成为经典摄影地图集，并调查了照片中揭示的星云种类。他还测量了行星的大小和特征，参与了日食的观测，并仔细地对暗星云进行了分类（见图 $\PageIndex{1}$ ）。 1916 年，他发现了正确运动量最大的恒星，也是距离我们自己的恒星系统第二近的恒星系统（参见《分析星光》）。为了纪念他，它现在被称为巴纳德之星。

alt — 图 $\PageIndex{2}$ 爱德华·爱默生·巴纳德（1857—1923）。巴纳德的观测提供了进一步推动许多天文探索的信息。

探测灰尘

图中看到的乌云 $\PageIndex{1}$ 阻挡了位于其后面的许多恒星的光线；请注意照片其他部分的区域是如何挤满星星的。 Barnard 68 就是一个相对密集的云层或暗星云的例子，其中含有微小的固体尘粒。这种不透明的云在任何银河系的照片上都很明显，银河系是太阳所在的星系（参见《银河系》中的数字）。 “黑暗裂痕” 是由一系列如此模糊的云层产生的，它在我们的天空中沿着银河系的很长一段纵向延伸，似乎将其一分为二。

虽然尘云太冷，无法在光谱的可见部分辐射出可测量的能量，但它们在红外线下会发出明亮的光芒（图 $\PageIndex{3}$ ）。原因是小尘粒可以非常有效地吸收可见光和紫外线辐射。颗粒被吸收的辐射加热，温度通常在 10 到 500 K 之间，然后以红外波长重新辐射这种热量。

alt — 图 Orion 中马头星云 $\PageIndex{3}$ 的可见光和红外图像。这片乌云是天文学中最著名的图像之一，可能是因为它确实像马的头。马头形状是填满画面下半部分的大量尘埃的延伸。 (a) 在可见光下，在明亮的背景下特别容易看到尘云。 (b) 这张来自马头区域的红外辐射图像是由美国宇航局的宽视野红外探测探测器记录的。注意在可见光下显得较暗的区域在红外线中是如何显得明亮的。尘埃被附近的恒星加热，然后在红外线中重新辐射这种热量。红外图像中只能看到马的头顶。在星云下方、左侧和马头顶部看到的亮点是新形成的年轻恒星。插图更详细地显示了马头和明亮的星云。

由于其体积小且温度低，星际颗粒将大部分能量以红外线辐射到微波频率，波长为数十至数百微米。地球的大气层对这些波长的辐射是不透明的，因此星际尘埃的发射最好从太空中测量。从地球大气层上空进行的观测表明，整个银河系的飞机上都存在尘云（图 $\PageIndex{4}$ ）。

alt — 图：银河系平面的 $\PageIndex{4}$ 红外发射。这张由斯皮策太空望远镜拍摄的红外图像显示了银河系飞机上的一个场。（我们的银河系呈飞盘的形状；银河系的飞机是飞盘的平盘。由于太阳、地球和太阳系位于银河系的平面上，并且距离银河系中心很远，因此我们可以观察银河边缘，就像从玻璃板的边缘看玻璃板一样。）这种发射是由微小的尘粒产生的，它们以 3.6 微米（此图为蓝色）、8.0 微米（绿色）和 24 微米（红色）发射。最密集的尘埃区域非常寒冷和不透明，以至于即使在这些红外波长下，它们也像乌云一样出现。随处可见的红色气泡表示灰尘已被年轻恒星加热的区域。这种加热会增加 24 微米处的发射量，导致该图像中的颜色更红。

一些密集的尘埃云靠近发光的恒星，散射的星光足以让人看见。这种由星光照亮的尘埃云被称为反射星云，因为我们看到的光是从尘粒上反射的星光。最著名的例子之一是 Pleiades 星团中每颗最亮的恒星周围的雾化（参见章节缩略图）。尘粒很小，事实证明，如此小的颗粒散射蓝色波长的光比红色波长的光更有效。因此，反射星云通常看起来比其发光的恒星更蓝（图 $\PageIndex{5}$ ）。

alt — 图 $\PageIndex{5}$ Pleiades Star Cluster。这张照片中星星周围的蓝光就是反射星云的一个例子。就像路灯周围的雾气一样，反射星云之所以发光，是因为其中的灰尘会散射来自附近明亮源的光线。 Pleiades 星团目前正在穿过星际云层，其中含有尘粒，这些尘粒会散射星团中热蓝星发出的光线。 Pleiades 星团距离太阳大约 400 光年。

气体和尘埃通常在太空中混合在一起，尽管各地的比例并不完全相同。在射手座星座中发射星云的许多照片中，尘埃的存在显而易见，我们在那里看到了一个被蓝色反射星云包围的 H II 区域。哪种类型的星云看起来更亮取决于导致气体和尘埃发光的恒星种类。冷于大约 25,000 K 的恒星的紫外线辐射非常少，波长短于 91.2 纳米（这是电离氢气所需的波长），以至于这些恒星周围的反射星云胜过发射星云。高于 25,000 K 的恒星发出的紫外线能量足以使它们周围产生的发射星云通常比反射星云更亮。

星际红化

微小的星际尘粒吸收了它们拦截的部分星光。但是，与谷物相互作用的星光中至少有一半是散射的，也就是说，它被重定向而不是被吸收。由于吸收的星光和散射的星光都不会直接到达我们，因此吸收和散射都会使恒星看起来更暗一些。这两个过程的影响被称为星际灭绝（图 $\PageIndex{6}$ ）。

天文学家最早在20世纪30年代初开始理解星际灭绝，这是对令人费解的观测结果的解释。在二十世纪初，天文学家发现有些恒星看起来是红色的，尽管它们的光谱线表明它们一定非常热（因此应该看起来像蓝色）。事实证明，解决这个看似矛盾的办法是，来自这些炙手可热的恒星的光不仅被星际尘埃变暗，而且会变红，这种现象被称为星际变红。

alt — 图 $\PageIndex{6}$ Barnard 68 在红外线中。在这张图中，我们看到了 Barnard 68，与图中所示的物体相同 $\PageIndex{1}$ 。区别在于，在上一张图像中，蓝色、绿色和红色通道显示光谱的可见（或非常接近可见）部分的光。在这张图中，红色显示了红外线中以 2.2 微米的波长发射的辐射。星际灭绝在红外比在可见波长下小得多，因此云层后面的恒星在红外通道中变得可见。

灰尘不会以相同的方式与所有颜色的光相互作用。来自这些恒星的大部分紫色、蓝色和绿色光已被尘埃散射或吸收，因此无法到达地球。另一方面，它们的一些橙光和红光波长更长，更容易穿透中间的尘埃，完成穿越太空进入地球望远镜的漫长旅程（图 $\PageIndex{7}$ ）。因此，这颗恒星从地球上看起来比你从附近看到的要红。（严格来说，红化不是这个过程最准确的术语，因为没有添加红色；相反，蓝色和相关颜色被减去，因此更恰当地将其称为 “去蓝色”。）在最极端的情况下，恒星可能会变红，以至于它们在可见波长下完全无法被察觉，只能在红外或更长的波长下看到（图 $\PageIndex{6}$ ）。

光被尘埃散射。 — 图：灰尘对光的 $\PageIndex{7}$ 散射。星际尘埃比红光更有效地散射蓝光，从而使遥远的恒星显得更红，使恒星附近的尘埃云呈现蓝色。在这里，来自恒星的红光线直接进入观察者，而蓝光则显示为散射。类似的散射过程使地球的天空看起来像蓝色。

我们都看到过地球变红的例子。日落时太阳看上去比中午红得多。太阳在天空中的位置越低，其光线穿过大气层的路径就越长。在这段更远的距离内，阳光散射的可能性更大。由于红光比蓝光更不容易散射，因此太阳在接近地平线时显得越来越红。

顺便说一句，尽管构成地球大气层的气体是透明的，但阳光的散射也是导致我们的天空看起来蓝色的原因。当阳光进入时，它会从空气分子中散射出来。分子体积小意味着蓝色的散射效率比绿色、黄色和红色高得多。因此，阳光中的蓝色散射出光束并散布在整个天空中。另一方面，从太阳进入你眼睛的光线缺少一些蓝色，所以即使太阳在天空中很高，看起来也比来自太空的要黄一点。

星光被星际尘埃变红的事实意味着长波长辐射在银河系中的传输比短波长辐射更有效。因此，如果我们想在有大量星际物质的方向上看得更远，我们就应该考虑长波长。这个简单的事实为红外天文学的发展提供了动机之一。例如，在2微米（2000纳米）的红外区域，遮挡程度仅为可见区域（500纳米）的六分之一，因此，我们可以研究在光线被星际尘埃阻挡之前距离是其两倍以上的恒星。对于试图了解银河系结构或探测其令人费解但遥远的中心的天文学家来说，这种通过在光谱的红外部分观测得更远的能力是一项重大收获（参见《银河系》）。

星际谷物

在我们了解星际尘埃的细节之前，我们也许应该先解决一个问题。为什么不是星际气体使遥远的恒星变红，而不是尘埃？我们已经从日常经验中知道原子或分子气体几乎是透明的。以地球的大气层为例。尽管与星际气体相比，它的密度非常高，但它是如此透明，几乎看不见。（气体确实有几条特定的光谱线，但它们在通过时只吸收一小部分光。）在星际空间中产生观测到的吸收光所需的气体量必须是巨大的。如此大量气体的引力吸引力将以很容易被发现的方式影响恒星的运动。没有观察到这样的运动，因此，星际吸收不可能是气体的结果。

尽管气体不会吸收太多光，但我们从日常经验中知道，微小的固体或液体颗粒可以成为非常有效的吸收剂。空气中的水蒸气是完全看不见的。但是，当其中一些蒸气凝结成微小的水滴时，生成的云是不透明的。沙尘暴、烟雾和烟雾为固体颗粒吸收光的效率提供了熟悉的例子。基于这样的论点，天文学家得出结论，星际空间中广泛分散的固体粒子必须是观测到的星光变暗的原因。这些粒子是由什么构成的？它们是如何形成的？

像本章中的图片这样的观察表明，大量的尘埃存在；因此，它必须主要由宇宙（和星际物质）中丰富的元素组成。在氢气和氦气之后，最丰富的元素是氧、碳和氮。事实证明，这三种元素，加上镁、硅、铁，也许还有氢气本身，是星际尘埃最重要的组成部分。

许多尘埃颗粒可以被描述为烟灰状（富含碳）或沙状（含有硅和氧气）。在陨石中发现了星际尘埃颗粒，之所以可以识别，是因为某些同位素的丰度与我们在其他太阳系材料中看到的不同。在实验室中已经通过这种方式鉴定了几种不同的星际尘埃物质，包括石墨和钻石。（别兴奋；这些钻石的大小只有十亿分之一米，很难成为一枚令人印象深刻的订婚戒指！）

最广泛接受的模型描绘了岩心的颗粒，这些颗粒要么像烟灰（富含碳），要么像沙子（富含硅酸盐）。在可能形成分子的乌云中，这些核心被冰盖覆盖（图 $\PageIndex{7}$ ）。谷物中最常见的冰是水 ( $\che{H2O}$ )、甲烷 ( $\che{CH4}$ ) 和氨 ( $\che{NH3}$ )，它们都由恒星领域中特别丰富的原子构成。反过来，冰罩是产生复杂有机分子的某些化学反应的场所。

alt — 星际尘埃颗粒的人物 $\PageIndex{8}$ 模型。人们认为，典型的星际颗粒由岩石材料（硅酸盐）或石墨的核心组成，周围环绕着冰衣。典型的晶粒大小为 10—8 到 10—7 米。（这是从 1/100 到 1/10 微米不等；相比之下，人类头发的宽度约为 10—200 微米。）

典型的单个晶粒必须略小于可见光的波长。如果颗粒小很多，它们就无法有效地阻挡光线，正如本章中的图 $\PageIndex{5}$ 和其他图片所显示的那样。

另一方面，如果尘粒比光的波长大得多，那么星光就不会变红。比光波长大得多的东西会以同样的效率阻挡蓝光和红光。通过这种方式，我们可以推断出典型的星际尘粒含有106至109个原子，直径为10—8至10—7米（10至100纳米）。实际上，这更像是香烟烟雾中的固体物质斑点，而不是当你忙于学习天文学而无法正确清洁时，办公桌下可能发现的较大的灰尘颗粒。

摘要

星际尘埃可以被探测到：（1）当它阻挡其后面恒星的光线时；（2）当它散射来自附近恒星的光时；（3）因为它使遥远的恒星看起来既红又微弱。这些效应分别被称为变红和星际灭绝。也可以在红外线中检测到灰尘，因为它会发出热辐射。在银河系的飞机上发现了灰尘。尘埃颗粒的大小与光的波长大致相同，由岩心组成，这些岩心要么是烟灰状（富含碳），要么是沙状（硅酸盐），地幔由水、氨和甲烷等冰制成。

词汇表

星际灭绝: 星际介质中尘埃对光的衰减或吸收

变红（星际）: 星光穿过星际尘埃会变红，因为尘埃比红光更有效地散射蓝光