20.5: 宇宙物质的生命周期
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学习目标
- 解释星际物质如何流入和流出我们的银河系，以及如何从一个阶段转变到另一个阶段，并了解恒星的形成和演化如何影响星际介质的特性
- 解释星际空间中发现的重元素和尘粒是如何到达那里的，并描述尘粒如何帮助产生最终进入行星系统的分子
星际气体的流动
关于星际介质，要了解的最重要的一点是它不是静态的。 星际气体在银河系中运行，当它这样做时，它可能会变得或多或少的密度，越来越热，越来越冷，并改变其电离状态。 一块特定的气体在某个时候可能是中性氢，然后发现自己靠近一颗年轻的热恒星并成为 H II 区域的一部分。 然后，恒星可能会像超新星一样爆炸，将附近的气体加热到数百万度的温度。 数百万年后，气体可能会冷却回来并再次变为中性，然后才聚集到密集区域，重力聚集成巨大的分子云（图\(\PageIndex{1}\)）
在银河系中的任何给定时间，按质量和体积计算，大多数星际气体都是原子氢的形式。 密度更高的分子云只占星际空间体积的一小部分，但却使恒星之间的气体总质量增加了大约 30%。 相反，超新星爆炸产生的热气所产生的质量可以忽略不计，但占星际空间体积的很大一部分。 H II 区域虽然在视觉上很壮观，但只占星际物质的质量或体积的很小一部分。
但是，星际介质不是一个封闭的系统。 由于星际空间的重力，来自星际空间的气体不断落入银河系，为星际介质添加了新的气体。 相反，正如《恒星的诞生》和《太阳系外行星的发现》中所讨论的那样，在巨型分子云中，气体会崩溃形成新的恒星。 这个过程将星际物质锁定为恒星。 随着恒星的老化、进化并最终死亡，巨型恒星损失了其质量的很大一部分，而低质量恒星的损失却很少。 平均而言，掺入恒星的物质中大约有三分之一会回到星际空间。 超新星爆炸的能量如此之大，它们可以将星际物质驱出银河系并返回星际空间。 因此，星际介质的总质量是由星际空间的质量增加、星际质量转化为恒星以及由于超新星而使星际质量流失回星际空间之间的竞争决定的。 整个过程被称为重子循环 ——重子来自希腊语中的 “重” 一词，而这个循环之所以这样命名，是因为它是宇宙中较重的组成部分——原子——经历的重复过程。
灰尘和重元素的循环
尽管星际介质的大部分质量是过去几十亿年中从星际空间积聚的物质，但对于比氢气和氦气重的元素或尘埃来说，情况并非如此。 相反，星际介质的这些组成部分是在银河系的恒星内部制造的，这使它们在生命的尽头返回星际介质。 我们将在后面的章节中更多地讨论这个过程，但现在请记住我们在《太阳：核强国》中学到的内容。 恒星 “谋生” 的是将较重的元素与较轻的元素融合在一起，在此过程中产生能量。 随着恒星的成熟，它们开始将一些新制造的元素丢失到星际物质库中。
尘粒也是如此。 当谷物在气体密集且凉爽的区域凝结时，就会形成粉尘。 找到正确条件的一个地方是来自发光的酷星（我们在《星星：天体普查》中讨论的红色巨星和超级巨星）的风。 当喷出的气体开始冷却时，颗粒也会凝结在超新星爆炸抛出的物质中。
当恒星在分子云内的星际介质密集部分停留时，它们产生的尘粒可能会进一步生长。 在这些环境中，谷物可以粘在一起或从周围的气体中收集额外的原子，从而变大。 它们还促进其他化合物的产生，包括我们前面讨论的一些更复杂的分子。
尘粒（参见 Cosmic Dust）的表面 —— 如果你是原子，它看起来很大 —— 提供了 “角落和缝隙”，这些原子可以在那里停留足够长的时间来寻找伙伴并形成分子。 （把尘粒想象成 “星际社交俱乐部”，孤独的原子可以在那里相遇并形成有意义的关系。） 最终，尘粒被冰覆盖。 尘埃的存在可以保护云层内的分子免受紫外线和宇宙射线的侵害，这些辐射会使它们分解。
当恒星终于开始在云层中形成时，它们会加热谷物并蒸发冰。 新形成的恒星的引力吸引力也增加了周围云层物质的密度。 还有更多的化学反应发生在新形成的恒星周围的气体中的颗粒表面上，而这些区域是有机分子的形成地。 这些分子可以整合到新形成的行星系统中，而早期的地球可能就是这样播种的。
事实上，科学家推测地球上的一些水可能来自星际颗粒。 最近的太空观测表明，密集的星际云层中有大量的水。 由于恒星是由这种物质形成的，因此当太阳系（包括我们自己的太阳系）出现时，水必须存在。 我们海洋和湖泊中的水最初可能来自锁定在积聚形成地球的岩石物质中的水。 或者，水可能是在小行星和彗星（由构成行星的同一云层形成）后来撞击地球时被带到地球的。 科学家估计，在地球最初的十亿年中，每千年发生一次彗星撞击就足以解释我们今天看到的水。 当然，这两个来源都可能为我们现在喜欢喝水和游泳的水做出了贡献。
任何融入新形成的恒星（而不是较冷的行星及其周围较小的天体）中的星际颗粒都将被它们的高温摧毁。 但最终，每一代新一代的恒星都会演变成红色巨人，拥有自己的恒星风。 其中一些恒星也会变成超新星并爆炸。 因此，回收宇宙物质的过程可以重新开始。
关键概念和摘要
星际物质不断流经银河系，并从一个阶段转变为另一个阶段。 同时，通过从银河系外空间积聚而不断向银河系中添加气体，而质量则通过被锁定在恒星中而从星际介质中移除。 反过来，当恒星进化和死亡时，恒星中的一些质量会返回星际介质。 特别是，星际空间中的重元素都是在恒星内部产生的，而尘粒则是在膨胀成巨星的恒星的外部区域产生的。 反过来，这些元素和颗粒可以被整合到由星际介质形成的新恒星和行星系统中。
词汇表
- 重子循环
- 质量循环进出星际介质，包括星际空间气体积聚、气体流失回星际空间以及星际气体转化为恒星