OurSci Magazine, 2002.02.01 Vol 2, No. 8

三思科学杂志
《三思科学》电子杂志 2002年第2期 总第8期 2002年2月1日
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译述

 星 际 之 流

  作者 Ronald J. Reynolds 

  10million,小伢译自
 Scientific American, ,2001.01 

银河系动态的大气
  星际介质中充满了庞大的热气喷泉和爆发的恒星产生的巨大 气泡,它比科学家过去认为的要有趣得多。   我们通常认为月亮是一个地方,但它实际上是许多个不同的 地方,是孤寂的岛屿构成的群岛。在一小步之间,你就能从零上 100度走到零下100度中去。你可以对着朋友的耳朵大声喊叫,他 永远听不到你。没有用于传递热量和声音的大气,月球上的每一 方寸都如同不可通航的大洋中的一个孤岛。   行星的大气把星球表面联为一体,使温度等条件能够平缓变 化。更富有戏剧性的是,诸如小行星撞击、火山喷发甚至工厂烟 囱排放废气这样的事件,(在大气的作用下)其影响可以到达离 它们的发生地点很远的地方。大气的这种特性已经开始引起研究 银河系的天文学家们的兴趣。   长久以来,我们已经认识到,有一种称为星际介质的极为稀 薄的气体包裹着我们这个星系,并且丝丝缕缕地弥散在星系中数 以十亿计的恒星之间。直到不久以前,星际介质似乎仍是一种寒 冷、静态的气体储备,等待着浓缩形成恒星。仰望繁星灿烂的天 空,你几乎注意不到它的存在。现在我们认识到,星际介质实际 是一团骚动的混合物,在温度、密度和电离度上极具多样性。超 新星爆发产生巨大的气泡;“喷泉”和“烟囱”横拱于这个旋涡 星系(译注:即银河系)之上;云团会从星系外面跌入其内部。 诸如此类的过程将星系中广袤的区域联系地一起,就像大气现象 把扰动从地球的一面传输到另一面。
不同波段的银河系
天文学家从不同波段观测到的银河系截然不同。50年前,当天文学家还局限在 可见光波段的时候,星际气体讨厌的挡住了人们感兴趣的真实物体——恒星。 今天,科学家认为气体在银河系演化中与恒星同样重要。 这张合成图片由NASA戈达德宇航中心提供。 1、射电连续谱(480MHz) 显示出快速移动的电子,通常可见于超新星遗迹 2、中性氢(1420MHz) 显示出星际云和弥散气体中的中性氢原子 3、射电连续谱(2.4~2.7GHz) 显示出暖离子气和高能电子 4、氢分子(115GHz) 显示出较冷气体云中的氢分子(由一氧化碳显示) 5、远红外线(12~100毫米) 显示出被恒星加热的尘埃,尤其是在恒星形成区 6、中红外线(6.8~10.8毫米) 显示出星际云中的复杂分子,或者是红色恒星 7、可见光(0.4~0.6毫米) 显示出附近的恒星以及稀薄的的电离气体。黑暗区域的温度低,密度大 8、X射线(0.25~1.5keV) 显示出超新星发出的炽热的冲击波 9伽马射线(大于300MeV) 显示出脉冲星和宇宙射线暴这样的高能现象   实际上,地面及空间望远镜显示出,星系的大气与任何行星 的大气同样复杂。星际介质受恒星及其它物质的引力约束,内部 弥漫着星光、高能粒子和磁场,被不断地搅动、加热、循环和转 换。与任何大气一样,星际介质的“底部”密度最大、压强最高, 这“底部”是指星系中央所在的平面,此处的压强与“上面”介 质的重量平衡。高浓度的气体云在星系中央平面附近产生,恒星 在密度最高的次级凝聚物中形成。   恒星耗尽了它们的核燃料、步入死亡的时候,那些质量至少 与太阳相等的恒星会把大多数物质喷回星际介质中。因此,随着 星系的衰老,每一代恒星都会用重元素“污染”星际介质。像地 球上的水循环一样,降雨之后继以蒸发,物质便如此不断地循环。 在空气中   将星际介质当作真正的大气来考虑,把一些最紧迫的天体物 理学问题联系在了一起。首要问题是恒星的形成。尽管天文学家 们几十年前就掌握了其基本原理,他们仍无法确定是什么因素决 定着恒星何时、以何种速率从星际介质中凝结产生。理论学者过 去惯于用一片孤立的气体云中的局部条件解释恒星的诞生,现在 他们开始把星系作为一个整体来考虑。
  银河系中央平面附近的气体

泡泡
“星际介质”这个词向我们展示了如下的画面:寒冷、漆黑的气体云 和尘埃静卧于银河系平面附近。今天,天文学家发现星际介质是被超 新星爆炸干扰的动荡不安的大气。气体从高耸的烟囱中涌出,然后这 股强劲的喷泉又降落下来。 1、随达质量星团诞生的超级气泡 2、超新星爆发产生一个低密度的热气泡 3、因为大质量恒星寿命大致相同,另外一个也接近爆发 4、两个气泡连在了一起,星风给气泡更多能量 5、第三次爆炸。星际介质开始像瑞士硬干酪 6、所有三个气泡连接起来,形成了气热气体和辐射的通道。   (气体云中的)条件不仅影响着恒星的形成,也受到恒星形 成的影响。前一代恒星的行为,决定了下一代恒星形成、存在和 死亡的环境。了解这种反馈作用——恒星特别是那些最炽热、最 稀少、质量最巨大的恒星对星际介质大尺度特征的影响——是研 究者面临的另一个巨大挑战。反馈可以是正的,也可以是负的。 一方面,大质量恒星可以加热和电离星际介质,使它们脱离中央 平面。这种扩张会增加周围介质的压力,压缩气体云,可能促使 它们坍塌形成新一代恒星。另一方面,加热和电离也可能搅动气 体云,阻止新恒星的诞生。当最大的恒星爆发时,它们甚至可能 把曾经诞育了自己的气体云毁掉。事实上,负反馈可以解释为什 么气体云引力坍塌形成恒星的效率如此之低。一般情况下,云 团的质量只有百分之几能形成恒星。   第三个难题是,恒星往往在阵发性的剧烈暴发中产生。在银 河系中,相反的反馈差不多彼此相抵,因此恒星形成的速度较为 缓慢,平均每年十颗。但在某些星系——例如“爆发星系”M82 中,正反馈占了上风。大概在2000万至5000年前,M82中心部位 的恒星形成过程开始失控,速度增为原来的十倍。我们的星系也 有过这样阵发式的暴发。这样的星暴如何产生又为什么停止,必 然与恒星及它们从中诞生的纤薄气体之间的复杂关系有关。   最终,天文学家们对这些气体活动的停止速度持有争论。大 多数恒星——质量比太阳小、能生存数百亿甚至数千亿年的恒星 ——对反馈循环没有贡献。越来越多的星际气体被封锁在寿命极 长的恒星中,最终我们银河系中所有多余的气体都被耗尽了,只 剩下恒星的渣滓。这一幕将何时发生,取决于我们的银河系是否 是一个封闭系统。最近的观测仍表明银河系是一个开放系统,既 然从周围的宇宙空间获得质量,也向空间中损失质量。相对说来 “污染”没那么重的高速氢云似乎在从星际系空间霏霏而下,使 我们的星系恢复青春。与此同时,银河系或许也在以外层大气的 高速风的形式向外喷发气体,就像太阳通过太阳风损失质量一样。 热的和冷的奔驰的氢   为了解决这些问题,星际介质的研究者必须先弄清介质的多 种成分。在20世纪50及60年代,天文学家们迈出了第一步,通过 分析猎户座星云这样的亮星云的发出的光的光谱,分析星云的元 素构成。以原子核的数目而论,氢占了90%,氦占10%左右,所 有其余的元素——从锂到铀——都仅以痕量存在,约占0.1%。   由于氢占主导地位,银河系大气的分布结构主要取决于氢存 在的形式。早期的观测对温度较低的中性成分较为敏感。最重要 的星际物质标记是天文学中最著名的光谱线:中性氢原子(天文 学家称之为H i)的1420兆赫(21厘米)发射线。从20世纪50年代 起,射电天文学家绘出了银河系里中性氢原子的分布图。它们以 气体团块或丝缕的形状存在于一种比它们更弥散、稀薄(大约每 立方厘米 0.1 个原子)和温暖(开氏温标数千度)的环境中。大 多数中性氢接近银河系中央平面,形成一个厚度约 300秒差距( 1000光年)的气体盘,这厚度大约相当于你观察夜空中的银河时 看到的主星盘厚度的一半。
     超级泡泡
     锥形超级气泡,被称为W4烟囱(虚线处),        或许是由大质量恒星星团产生的。        在其中央是呈V形的丝状气体,它        似乎是由超新星爆发和星际喷流        形成的。这张图片是一张冷氢云        射电和红外线合成的假彩色图片。   氢同样也以极难直接探测的分子状态( H2 )存在。 关于氢 分子的多数信息来自对痕量一氧化碳分子的高频射电观测。当一 氧化碳存在时,氢分子也应当存在。氢分子看起来局限于最致密 寒冷的气云中,能够将分子分解成原子的星光无法透进这些气云。 这些致密的气云是恒星诞生的活跃区域,存在于银河系大气最底 部极薄(厚100秒差距)的一层中。   直到最近,氢分子都只能在它们被周围恒星的辐射出的紫外 线或喷出的粒子风瓦解成氢原子的地方被直接观察到。在这样的 环境里,氢分子发出波长为 2.2 微米的红外辐射。不过过去几年 来,环地轨道上地光谱仪——如航天飞机搭载的ORFEUS-SPAS 平台,以及新的远紫外分光探测者卫星(FUSE),已经在0.1微 米附近的紫外波段观察到了氢分子。这些仪器探测遥远恒星或类 星体发出的光照亮的氢——在这些天体光谱的紫外波段,氢分子 会留下表明其身份的吸收线。这种方法的优点是可以发现银河系 中远离恒星的宁静区域的氢分子。   令人惊讶的是,分别由美国威斯康星大学的 Philipp Richter和 德国蒂宾根的Wolfgang Gringel领导的两个科研小组发现,氢分子 不仅存在于银盘中的高密度气体云中这样寻常的地方,还存在于 银盘外部的稀薄区域。这有些费解,因为为了保护分子免受星光 的破坏,高密度是必须的。也许有一些低温云延伸到了离银河系 中央平面比我们从前认为的更远的地方。   氢元素的第三种存在状态是氢离子。天文学家们过去假设氢 离子仅存在于一些孤立的小区域,如明星恒星附近的发光星云, 和超新星爆发后留下的纤细的残屑。观测技术的改进和空间天文 学的出现改变了这种看法。我们星系的大气中的两种新成分开始 进入人们的视野:热的(106K)和暖的(106K)氢离子(H ii)。   与最近观测到的氢分子类似,电离氢也伸展到了低温中性氢 云层上方较远的地方,在整个银河系周围形成一团厚厚的气“晕”。 “星际”看起来不再是一个对我们星系大气外最层部分的合适描 述。大气中较热的部分可能延伸到距中央星系盘数千秒差距之外, 稀薄到密度为每立方厘米0.001个离子。这是我们星系的光冕,就 像太阳周围向外延伸的炽热气体。与日冕一样,银冕的微弱存在 意味着可能存在某种维持高温的非常规的能量源。扮演这个角色 的看起来是超新星爆发或高能恒星风。与热等离子体共同存在的 是暖等离子体,它们的能量由紫外辐射供给。这些扩展层的重量 增大了中央星系盘处的气体压力,对恒星的形成有着深远的影响。 其他的星系似乎也有自己的星系冕。钱德拉X射线望远镜天文台 最近就观测到了星系NGC4631的星系冕。 吹气泡   确定了星际介质的这些新的能量更高的形态后,天文学家们 开始考察这些不同的成分是如何运动及相互联系的。星际介质不 仅通过恒星进行循环,它可以由氢分子变为中性氢或电离氢,从 冷变热,也可以反过来转化。目前所知的唯一能产生足够强大的 能量支持上述活动的来源,是大质量恒星。一项由德国波鸿大学 的R-J. Dettmar领导的研究工作表明,恒星质量大于平均水平的星 系,具有伸展范围更广的大气。这些恒星的能量如何作用于整个 星系还不清楚,但天文学家们一般认为关键在于热离子气体的产 生。  
     暖电离氢拱形
     银盘上的拱形是庞大的暖电离氢的环路,它正处于“烟囱”      上方(虚线处,参见上图),这些结构很可能是由同一个星团造成的。   这些气体似乎是由随着超新星爆发扩展到星际介质中的高速 (100~200公里每秒)冲击波产生的。根据周围气体密度及磁场 强度的不同,这种以球状扩展的冲击可能清理出一个半径为50~ 100 秒差距的空穴——一个巨大的气泡。
     NGC4631
     包裹NGC4631的是炽热的等离子体(蓝色和紫色部分),由 钱德拉X射电天文台拍摄。紫外成像望远镜显示出其中的大质量恒星(桔红色)   通过这一过程,冲击把一小部分离子和电子加速到接近光速。 这些被称为宇宙射线的高速粒子是恒星死亡与恒星诞生之间的一 种反馈方式(正的和反的)。宇宙射线增大了星际介质的压力, 高压反过来压缩致密分子云,增加它们坍塌成为恒星的机会。通 过电离一部分氢,宇宙射线还推动合成复杂分子的化学反应,如 我们所知,其中一些复杂分子是构成生命的材料。由于离子会附 在磁感线上,它们能把磁场约束在气云里,从而减慢气云坍塌成 恒星的速度。
     电离氢谱线
     炽热的等离子体也围绕着我们的银河系。远紫外分光 探测器探测到被类星体照亮的气体云中强电离氧的谱线。这片气体云离银盘至少5千秒差距。   如果这样的热气泡以足够高的频率形成,它们就能在广大的 范围里互相连接。这一想法最初于20世纪70年代由美国威斯康星 麦迪逊大学的Barham Smith和Donald Cox提出。两年之后加利福尼 亚大学伯克利分校的Christopher F. McKee和普林斯顿大学的Jeremiah P. Ostriker提出,(星际介质的)热物质应当占据了55%~75%的星 际空间,而较冷的中性成分被限制在电离态主体内部的孤立气云 中,这实质上与中性气体占主导地位、电离气体局限在小区域中 的传统观点完全相反。   近期的观测结果似乎支持了这种颠覆传统的理论。例如在较 近的旋涡星系M101中有一个氢原子气体圆盘,上面充满了孔洞, 人们认为这些孔洞就是大质量恒星爆发产生的气泡。距我们70亿 光年远的另一星系中的星际介质同样看起来像个瑞士奶酪。但是 热气体的具体数量以及它们对银河系气体结构的影响仍存在较大 争议。 “烟囱”和“喷泉”   太阳本身看来位于一个热气泡中,通过高度电离的痕量离子 如氧所发出的X射线显示出了这个气泡的存在。这个被称为“本 气泡”(Local Bubble)的灼热气体区域显然是由约一百万年前的 一次超新星爆发中诞生的。   更为壮观的一个例子位于猎户座和波江座方向距太阳 450 秒 差距的地方。它是加利福尼亚大学伯克利分校的Carl Heiles及其同 事的一个新近研究的课题。这个猎户-波江气泡是由猎户座中的 一个星团形成的。此星团属于一种叫做OB星团的高级类型,即一 团温度最高、质量最大的恒星。O类和B类恒星比太阳(一个G类 恒星)重20~60倍,亮度则比太阳高 1,000~100,000 倍。在过去 的一千万年里,这些短命的恒星以超新星爆发的方式壮烈地死去, 把周围的气体卷入气泡外围一个像贝壳一样的壳层中。在可见光 波段,这个外壳就像是一个由离子圈和线构成的暗淡花边,它的 内部充满上百万度的高温气体,漫射出的X射线。   整个区域是一场名符其实的恒星形成的暴风雨,并且毫无停 止的迹象。恒星还在继续从产生OB星团的巨大分子云团中形成。 一个最新的O类恒星θ C Orionis正在电离一小片分子云,以壮大 猎户座星云。但是,超新星爆发和电离辐射将彻底搅乱分子云, 并瓦解其中的氢分子,这些氢分子将回到氢原子或氢离子的状态, 而恒星的形成也将停止。因为剧烈的变化过程将增加星际介质中 的压力,这个分子云的死亡可能意味着在星系中其它地方恒星的 诞生。   银河系中的气泡应当是从星系中央平面上浮出来的,就像地 球上热气流从加热的地面上升一样。最近纽约自然历史博物馆的 Mordecai-Mark Maclow 及其同事完成了一系列数学计算,类似的 计算表明,气泡能一直上升到星系晕中,最后形成一个“宇宙烟 囱”,在中央平面附近的超新星爆发所喷出的高温气体能穿过它 通入星系的高层大气,在那儿气体会冷却下来并像雨点一样落回 银盘。如此一来,超级气泡和烟囱就形成了一个星系规模的“喷 泉”。   这样的喷泉可能就是热星系冕甚至星系磁场的源泉。根据法 国南方-比利牛斯大天文台 Katia M. F. 的计算,上升气流和银盘 的旋转联合起来能够形成一台发电机,这很像在太阳或地球内部 深处产生磁场的活动。   诚然,观测者们尚未证明高温物质或“喷泉”的普遍存在。 猎户-波江气泡一直延伸到离星系中央平面 400 秒差距之外,而 仙后座中一个类似的超级气泡则上升了 230 秒差距,但它们离星 系冕都还有1000~2000秒差距的距离。磁场以及温度更低、更稠 密的离子气体能使超级气泡很难或不可能进入星系冕。那么那些 星系冕又是如何形成的呢?目前还没有令人信服的解释。 变暖   暖(10000K)等离子体与热等离子体同样令人费解。实际上, 在星际介质的传统图景中,根本不可能有广泛存在的暖离子气体。 那些气体应当被限制在很小的空间——诸如猎户座星云这样紧紧 包围着超大质量恒星的气体星云——内部。但每五百万颗恒星中 才有一颗这样的巨星,而大部分星际气体(氢原子和氢分子)对 (这些恒星的电离辐射)光子来说是不透明的。这样一来星系的 大部分区域应该不受影响。然而暖等离子体遍布整个星际空间。 在最近一项称为WHAM的勘测中,甚至在离最近的O型恒星也很 远的星系冕里发现了暖等离子体。这样的离子气体也同样在其它 星系中广为存在。那些电离辐射的光子是如何逃离它们原本所在 的恒星的?这是一个巨大的谜团。   “气泡”或许是问题的答案。如果超新星爆发“凿开”了大 小可观的一部分星际介质的话,电离辐射的光子可能在被中性氢 原子吸收之前走过很远的距离。猎户座OB星团提供了一个极好的 例子来解释这个过程。一个O型恒星处于早先的超新星爆发所凿 开的大洞中,电离辐射的光子就可以自由的穿过这个空穴,打在 遥远的气泡外壳上使它发光。如果“星系喷泉”或“星系烟囱” 确实伸到了星系冕中,这就不仅能对高温星系冕,还能对暖等离 子体的普遍存在作出解释。WHAM计划的一张最新的仙后座气泡 照片揭示出一条可能的线索:离星系中央平面约1200秒差距的地 方,一个环形的暖等离子体环高拱在气泡之上。这个环的形状大 致像一个“烟囱”,不过它还没有进入银晕的外部。形成这样一 个巨大的结构所需的能量也是巨大的——比从形成气泡的星团中 所能得到的所有能量还要多。此外,此结构诞生所需的时间是星 团年龄的10倍。所以离子气体环的形成可能是一项延续多代的工 程,每一次爆发都扩大了先前爆发所形成的气泡并重新输入了能 量。 一圈又一圈   一些局部区域中大质量恒星的形成,可能会影响到很大范围 的星系空间。这使得恒星形成需要在很长时间内进行协作。也许 一切都是从一团巨大分子气体云中的一颗或一团O型恒星开始的。 恒星辐射、气流和爆炸在周围的星际介质中凿出一个中等大小的 洞,此间最初母体气云可能会被破坏。这些扰动还可能引发邻近 气云中恒星的诞生,如此往复,直到星系角落里的星际介质也开 始变得像瑞士奶酪一样。气泡开始重叠,形成超级气泡。越来越 多的O型恒星为这个逐渐扩大的超级气泡提供能量,直至自然的 浮力将它拉出星系中央平面,一直向上伸展到星系冕中,形成烟 囱。   这个超级气泡便成了一条将内部炽热气体引向银河系上方大 气的通道,产生了个伸展于广大区域中的冕。由于远离能量源, 冕中的气体逐渐冷却并凝聚为云团。云团如雨般落回星系中央平 面,完成一次“喷泉循环”,并使银盘重新充满冷却的云团,恒 星将重新在其中诞生。   尽管我们星系的大气主要成分及运动过程似乎已得到确认, 但一些细节仍然不确定。天文学家们正在继续研究星际介质如何 在恒星间、在不同状态的介质间、在银盘和银冕之间循环,有可 能(在细节方面)取得一些进展。而对其他星系的观测将使天文 学家们得以鸟瞰星系之间的事件。   一些至关重要的部分可能被遗漏了。例如,恒星是否真的是 星际介质的主要能量来源?仙后座超级气泡上的环看上去与太阳 表面的拱形突起相似得让人不自在,那些突起很大程度上要归功 于太阳大气中的磁场。我们星系的大气是否也由磁场活动主导呢? 如果是这样,星系大气与恒星及行星大气之间的相似程度可能会 超出我们的想象。 作者简介:   RONALD J. REYNOLDS 在六年级时就买了一架反射式望远 镜并用它给月球拍照,但直到他获得物理学博士学位他才开始真 正的涉足天文学研究并立志在这一项目上取得成绩。现在他是威 斯康星麦迪逊大学的天文学教授,设计并制造了用以研究银河系 中的暖等离子体的高灵敏度分光计。他是Wisconsin H-Alpha Mapper 项目的主要调查员,这一项目花了两年时间以绘出整个北天球上 的氢元素分布图。 更多信息: Ionizing the Galaxy. Ronald J. Reynolds in Science, Vol. 277, pages 1446-1447; September 5, 1997. Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer Observations of O VI Absorption in the Galactic Halo. Blair D. Savage et al. in Astrophysical Journal Letters, Vol. 538, No. 1, pages L27-L30; July 20, 2000. Preprint available at arXiv.org/abs/astro-ph/0005045 Gas in Galaxies. Joss Bland-Hawthorn and Ronald J. Reynolds in Encyclopaedia of Astronomy & Astrophysics. MacMillan and Institute of Physics Publishing, 2000. Preprint available at arXiv.org/abs/astro-ph/0006058。 Detection of a Large Arc of Ionized Hydrogen Far Above the CAS OB6 Association: A Superbubble Blowout into the Galactic Halo? Ronald J. Reynolds, N. C. Sterling and L. Matthew Haffner in Astrophysical Journal Letters, Vol. 558, No. 2, pages L101-L104; September 10, 2001. Preprint available at arXiv.org/abs/astro-ph/0108046 The Interstellar Environment of Our Galaxy. K. M. Ferri ère in Reviews of Modern Physics, Vol. 73, No. 4 (in press). Preprint available at arXiv.org/abs/astro-ph/0106359 本文相关链接    The Gas between the Stars

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