星际气体物质

充斥着炽热气体的喷流和由恒星爆炸所吹成的巨大气泡,星际介质比起科学家们曾经想象的要有趣的多……

银河系 在不同的波段看起来图象相当的不同

通常我们将月球视为一个整体,但是实际上,它是由数以亿计的小块所组成,就像一个孤独的群岛。在月球上,仅仅一小步的距离之遥,表面温度就可能从零下100度骤升到零上100度;你也可以对着你好友的耳朵大叫,而他却根本不会听到。没有大气来传输热量和声音,月球上的每一块就像是枯海中的孤岛一样。

由于大气的约束,行星表面才成为一个统一的整体。这使得诸如温度等环境条件平滑地改变。更有意思的是,例如小行星碰撞、火山爆发和工厂化学废气的排放这类事件,其所产生的影响竟然可以到达离发生地很远的地方。一个局部的现象可以使全世界受到影响,大气的这种特性已经引起了研究银河系的天文学家们的兴趣。

许多年以来,我们一直认为星际介质就是包围着我们星系的充斥于星际空间的一层及其稀薄的气体物质。直到近来,它仍然被视作是一个寒冷的静止的气体仓库,静静地等待着踏缩变成恒星。当你遥望星空的时候,你甚至不可能注意到这些气体。现在我们认识到这些星际介质实际上是密度、温度和电离等性质变化差异巨大的活动激烈的混合物。超新星爆发吹出了巨大的气泡,气体喷流在银盘之上弯成弓形,星云物质从银盘的另一边飘来,这些过程,就像大气将扰动从地球一端传递到另一端一样,在空间很大的尺度上都产生影响。

事实上,地面和空间的望远镜观测已经显示了星系气体和任何一个行星的大气一样的复杂。由于其它星体和物质的联合引力作用,以及星光、高能粒子和磁场弥漫其间,星际介质不断的被搅动加热,改变形态,往复循环。像任何大气一样,它的密度和压强在其“底部”达到最大,这样就可以定义星系的平均半径:气体压力和“上边”物质的重力相平衡的地方。密集浓厚的气体云就在这个“平均半径”附近形成,然后,形成更加浓缩的物质沉积,这就是恒星的祖先。

当恒星耗尽了它的核燃料而趋于灭亡时,其中那些大于太阳质量的恒星将把它们自身绝大多数的物质抛向星际空间。因此,在一个星系演化的过程中,每一代恒星都产生一些重元素,从而使星际空间重元素的丰度增加。像地球上的水循环一样,蒸发、凝聚、再蒸发,星际物质可以被一此又一次的利用。

银河系的动态大气

悬而未决

星际气体物质和天体物理学的许多关键问题紧密相关,比如恒星的形成。尽管天体物理学家早就知道了恒星演化的基本原理,但是他们仍然不清楚是什么决定着星际物质凝聚形成恒星的时间和速率快慢。理论学家过去只是用孤立的气体星云的环境条件来解释恒星的创造问题,而现在,他们开始考虑整个星系的环境所产生的影响。

这些条件影响着恒星的诞生,恒星诞生反过来又对其作用。前一代恒星确实决定着下一代恒星诞生、演化和死亡的环境。看看这个反馈过程—恒星的剧烈变动,尤其是那些最热最大最罕见的恒星,它们超越了星际介质大尺度的性质,这是对研究者的又一重大挑战。反馈有正有负。一方面,大质量恒星可以加热并且电离星际气体使其不断膨胀,这样就增加了周围的压力,从而压缩周围的气云而有可能使其塌缩形成新的恒星;而另一方面,加热和电离可以搅动星云,抑制恒星的诞生。当大质量恒星爆炸时,它甚至可以摧毁使其诞生的星云。事实上,这种负反馈可以解释为什么星云引力塌缩形成恒星的效率是如此之低。具有代表性的是只有很小一部分的星云物质变成恒星。

第三个难题是恒星的形成经常是零星地而不是大规模爆发式地出现。在银河系中,这种竞争式反馈的影响几乎是平衡的,因此恒星的形成看起来不紧不慢—平均每年只诞生10个。然而在其它一些星系中,例如“exploding galaxy”M82,正反馈已经占据了主导地位。从两千到五千万年前开始,M82中心部分的恒星产生开始失去控制,速率猛增为原来的10倍。我们的银河系可能曾经也有过这样的零星爆发,这种爆发的机制和而后又消减的原因需要涉及到恒星和孕育它们的纤细的气体结构之间的复杂关系。

最后,天文学家们讨论经过多长时间星际气体的活动将逐渐消失。绝大多数恒星—质量小于太阳,寿命达到成百上千亿年—对星系中的这种反馈循环过程没有贡献,这样就会有越来越多的星际气体被囚禁在长寿命的恒星中,最终我们银河系中所有的气体都被消耗殆尽,留下一堆恒星的残渣。这多久会发生取决于银河系是否是一个封闭的系统。近来的观测表明银河系仍然是一个开放的系统,与其周围的宇宙空间不断交换着质量。来自星系际空间的相对清洁的高速氢气体云不断更新着银河系,同时银河系外层大气又以高速星风的形式向外施放物质,就像太阳通过太阳风的形式缓慢的施放太阳物质一样。

热的和冷的活动氢

为了解决这些问题,研究星际介质的科学家首先需要确定它内部多样的组成。在二十世纪五六十年代,天文学家实施了第一步措施,他们利用例如猎户座大星云等明亮星云发出的光谱来分析其化学组成。他们统计了原子核的数目,发现其中氢占了90%,氦占10%,而其它元素从锂到铀,只留下一点痕迹,大约只有0.1%。

因为氢元素占据优势地位,所以星系大气的结构主要依赖于氢元素的存在形式。早期的观测主要集中在冷的中性氢云上。判断星际物质的首要标记是著名的天文学光谱线:由中性氢原子(天文学家将其标记为HI)发出的1420MHz(21cm)谱线。从二十世纪五十年代开始,射电天文学家绘制出了星系中HI的分布情况。它们的密度是每立方厘米10到100个原子,温度接近100K,以成团或成丝的方式包含在更弥漫、更稀薄(每立方厘米大约只有0.1个原子)和更热(几千K)的气云中。决大多数的HI聚集在银盘的中部,形成一个约300秒差距(1000光年)厚的气体盘,相当于夜晚你所见银河主星带的一半厚度。

氢元素也可以以分子的形式(H2)存在,但是要直接探测他们非常困难。许多关于H2的信息来自于分子一氧化碳踪迹的高频射线观测。因为一氧化碳存在的地方,氢分子也应该存在。H2分子看起来被限制在最密最冷的气云中而不能够穿透出来,在那些地方,由于星光的影响,氢分子被分解成单个的氢原子。这些浓厚的气云在银河大气底部很薄的一层(100秒差距厚)中被找到,它们正是恒星形成的活动区。

直到不久前,分子氢的直接探测还只局限于那些它们被破坏的地方,在那里,由于附近恒星发出的粒子星风和紫外线的影响,氢分子分解为氢原子。在这种环境下,H2受激发出约2.2微米波长的红外光。然而在刚刚过去的几年里,空间光谱摄像仪已经开始在0.1微米的紫外波段寻找分子氢,例如名为ORFEUS-SPAS的航天飞机机载平台和新的远紫外分光探测卫星Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer(FUSE)。这些仪器可以寻找那些被遥远的恒星和类星体星光照亮的氢云:H2可以吸收那些天体射来的紫外波段的光线。这种方法的优越性在于它能探测星系中那些远离恒星的静止区域中的分子氢。

令人惊奇的是,由威斯康星大学的Philipp Richter和德国另一所大学的Wolfgang Gringel分别领导的两个研究小组发现,H2不仅可以存在于通常认为的银盘中那些高密气云中,而且在远离银盘的低密度区域也可以存在。这有些不可思议,因为为了防止分子被星光破坏,高密度是需要的。有可能许多冷气云比以前认为的要离开银盘中部区域更远一些。

氢元素的第三种形态是氢离子形成的等离子体。天文学家原以为离子氢被限制在一些孤立的小区域中——明亮恒星附近的炽热星云和纤细的超新星遗迹,观测技术的发展和空间天文学的出现改变了这种看法。我们星系大气中两种新的成分已经被发现:热的(106K)和较热的(104K)电离氢(HII)。

近来对氢分子的探测表明,HII在冷的HI气云层外伸展了很远,围绕整个星系形成一个厚的气体“晕轮”。“星际”看起来对于我们星系大气这些最外层的部分不再是一个适当的描述。热的氢相可以从银盘中部延伸到几千秒差距之外,并且密度逐渐减小到每平方厘米只有10-3个离子。这形成了我们星系的银冕,类似于太阳外延伸出来的炽热大气——日冕。和日冕的情形一样,银冕的存在意味着一定有一个特殊的能源维持着这种高温,超新星的爆发和高速的星风看起来与此有关。与热等离子体共存的是较热等离子体,它们由极端紫外辐射提供能量。延伸出这一层的重力增加了银盘中部的气体压力,这对恒星的形成有重要的影响。其它星系看起来也有晕冕,钱德拉X射线观测仪最近在星系NGC4631中就观测到了类似的情况。

锥形超泡
图中点划线所示为W4“烟囱”,可能由一群大质量恒星所创造。其中心是一条V形的气体细丝,好象由超新星爆发和恒星抛出物的冲力作用使其弯了回来。这张图象是无线电波段和冷的氢气发出的红外波段图象的合成
JAYANNE ENGLISH 加拿大马尼托巴大学;
CANADIAN GALACTIC PLANE SURVEY AND RUSS TAYLOR 加拿大卡尔加里大学

被风吹开的气泡

当已经鉴别出了这些新的更具能量的星际介质的状态之后,天文学家开始研究这些不同的成分之间如何作用和相互关连。星际介质不仅通过恒星进行循环,而且也能从H2转变为HI再变为HII或者由冷变热再变冷。大质量恒星是目前唯一知道的能承担起这些活动的能源体。德国波鸿大学的Ralf-Jagen Dettmar研究发现,一个星系中大质量恒星所占的比例越大,则星际气体扩散和膨胀的范围也越广。恒星体如何释放能量给整个星系的机制目前仍不十分清楚,但天文学家隐约已经找到了热电离气体如何诞生的证据。

这些气体看起来是由超新星爆发射向星际介质的高速冲击波影响产生的。依赖于气体的密度和环境介质磁场的强度,球形扩散的冲击波可能清出一个半径50到100秒差距的气腔——一个巨大的泡泡。

同时,由于冲击波接近光速,这促进了离子与电子的小范围分裂。其中飞驰的粒子流称为宇宙射线,它们是恒星死亡反馈(有正有负)于恒星诞生过程的一种形式。宇宙射线增加了星际介质的压力;更高的压力转而压缩浓密的分子云从而增加了它们塌缩形成恒星的机会。通过电离一些氢,宇宙射线也推动了合成复杂分子的化学反应,其中产生的一些分子就是构建起宏伟生命大厦的基石。因为离子在磁场中会沿着磁力线运动,它们被束缚在气体云的磁场中,从而降低了气云塌缩形成恒星的速率。

假如炽热的气泡被制造的足够频繁,它们将相互连接形成一个更大的气泡。这种想法在二十世纪七十年代首先由麦迪逊市威斯康星大学的Barham Smith和Donald Cox提出,两年以后加州大学伯克利分校的Christopher F. McKee和普林斯顿大学的Jeremiah P. Ostriker指出炽热的气体状态应该占据了星际空间的55%到75%,而较冷的中性态则局限于这个电离矩阵中的孤立气云中——这与传统的图象本质上完全相反,那里认为中性气体占据优势地位而电离气体则大受限制如同处于一个小口袋之中。

近来的一些观测看起来支持这种与传统观点相反的看法。举个例子,邻近的旋涡星系M101包含一个由原子氢气体形成的圆盘,令人迷惑的是其中心是巨大的空洞——或许是大质量的恒星吹出来的。而七十亿光年远的其它星系中,星际介质看起来也像是瑞士硬干酪一样。但炽热气体的数量和它对星系大气结构的影响如何仍然引起了许多的争论。

银盘外的弓形是由较热电离氢构成的巨环,它刚好位于W4“烟囱”(点划线)的上方,相同类型的星簇可能与这两种结构有关
RONALD J. REYNOLDS [top];
NASA AND DANIEL WANG, University of Massachusetts at Amherst (x-ray imaging) and nasa/uit (ultraviolet imaging) [middle];
KENNETH R. SEMBACH, Johns Hopkins University and the fuse science team [bottom]

烟囱和喷泉

太阳看来也处在一个热的泡泡中,由例如氧等示踪离子高度电离发出的X射线已经显示了这种证据。这个气泡被称为本气泡,这个炽热气体的区域显然是在大约一百万年前附近一个超新星爆发中形成的。

一个更为壮观的例子在猎户和波江座方向450秒差距远的地方,这是加州大学伯克利分校的Carl Heiles和其同事近来研究的课题。猎户-波江气泡在猎户座中的一个星团中形成,这个星团是个典型的OB星协——由一群O型和B型星组成,它们是最热和最大的恒星,质量有太阳(一个G型星)的20到60倍,亮度是太阳的103到105倍。在过去的一千万年中这些短寿命恒星壮烈的死亡方式超新星爆发使得周围的气体形成了气泡边界壳状的外表。在可见光范围这个外壳看起来像是电离气细丝环暗淡的花边,而填充其内部的百万度高温的气体则四散发出X射线。

整个区域是恒星猛烈诞生的地方,没有一点停止的迹象。巨大的分子云不断沉积,新星不断产生,整个OB星协的轮廓也逐渐显现。其中最年轻的O型星之一猎户座θC正在电离一小片气云——这里形成了猎户座大星云。然而在同时,超新星和电离辐射也在完全地破坏分子气云并且分裂其中的分子,氢分子分解为单原子态和电离态,使恒星的创生终止。因为剧烈的转变过程增加了周围星际介质的压力,这里分子云的消亡或许也意味着星系中其它地方恒星的诞生。

由于压力的差异,气泡从银盘中部轻快地“上浮”到外部,如同受热的地表热量的上升一样。一些数值上的计算例如近来纽约市美国自然历史博物馆的Mordecai-Mark MacLow与其同事所做的表明,气泡可以一直上升到星系的晕冕之中。结果如同一个宇宙的烟囱,通过它银盘中部附近由超新星喷涌而出的炽热气体可以排放到星系的上层大气中,在那里气体将变冷并且再落回到银盘上。这样,超泡和“烟囱”形成了一个星系尺度上的喷泉。

这些喷泉或许是炽热银晕甚至银河系磁场的能量来源。根据法国某天文台的Katia M.Ferrite计算,上升气流与银盘的旋转结合将产生类似发电机的效果,非常象太阳和地球内部深处的运动产生磁场的机制。

为了确认起见,观测者还不得不证明炽热态和喷泉存在的普遍深入的本性。猎户-波江气泡从银盘中部延伸出400秒差距远,仙后座中一个类似的超泡也延伸出230秒差距,但它们到达银冕还得有1000到2000秒差距的距离。磁场和较冷较密的电离气作用使得超泡破裂溶入晕冕中几乎不可能,既然这样,那么炽热的晕冕又来自哪里呢?目前还没有确切的答案。

遮挡银盘的NGC4631是个炽热的等离子区(蓝色和紫色部分),由钱德拉X射线观测仪拍摄,紫外成象望远镜显示在银盘中有大质量恒星分布(橙色)

逐渐变暖

较热的电离体(104K)和炽热电离体一样神秘。事实上,在星际介质传统的图象中,较热电离气体是不可能遍及各处的。这些气体应该局限在非常小的空间区域中——扩散的星云,例如猎户座大星云,那里是超大质量恒星形成的环境。这类恒星只占总数的五百万分之一,绝大多数的星际气体(原子和分子氢)对它们发出的光线是不透明的,因此星系的大小应该不受影响。然而较热电离气体却遍及于星际空间各处。最近一个称为WHAM的观测发现它们甚至存在于银晕之中,距离最近的O型星非常之远,在其它星系中也是类似的分布。这十分神奇,电离的光子等离子是怎样设法从它们诞生的恒星飘泊到如此远的距离呢?

气泡可能是答案所在。假如超新星已经开拓出了星际介质的重要部分,电离光子在被中性氢吸收之前可能会旅行很长一段距离。猎户OB星协为我们提供了一个关于此极好的例子。O型星处于早期超新星雕刻出的巨大空洞之中,它们发出的光子现在可以自由地穿过空洞,撞击到遥远的气泡围墙上并且发出光芒。假如银河系的“喷泉”和“烟囱”确实延伸进入银晕,则这不但可以解释炽热的晕冕,而且也能解释较热电离气的普遍存在。一个新的仙后座超泡的WHAM图象揭示了一条可能的线索:一个较热气体环在气泡之上弯出很远,距离银晕中部可能有1200秒差距远。这个环的轮廓在还没有破裂进入银河外层的晕冕之前,形状有些类似于一个烟囱。形成这样一个庞大结构所需的能量是巨大的——超过产生气泡的星云中所有恒星可利用的能量总和;此外,形成它所需的时间是星云年龄的十倍。因此这个环可能是一个多代的工程,由在我们今天看到的星云之前一系列恒星诞生的明显的爆发中创生,每一次爆发都给予以前的爆发中创造出来的气泡更多的动力并使其膨胀。

炽热等离子体也围绕着我们的星系,远紫外分光探测卫星探测到这条被类星体背景光照亮的气体云中强电离氧产生的光谱,气云距离银盘至少有5000秒差距

周而复始

在一个局部区域中大质量恒星的形成可以影响星系的很大一块区域,看起来这需要恒星形成后调整很长一段时间。这可能总是开始于一个单一的O型星或者一个巨大分子云中的一团此类星。恒星辐射、星风和爆发在周围的星际介质中塑造出了一个适度的空洞,在这个过程中原星云可能被破坏。偶尔这种搅动可以触发邻近星云中形成恒星等活动,直到这个星系角落中的星际介质开始变得象瑞士硬干酪一样。然后气泡开始交迭接合形成超泡,越来越多的O型星提供能量给这个不断扩大的超泡,直到它自然的浮力使它从银盘中部伸展到银晕之中为止,这样就形成了一个“烟囱”。

如此超泡为内部炽热气体扩散进入星系的外层大气中提供了一条通道,形成了一个弥漫各处的晕冕。因为远离了能源所在,晕冕中的气体开始慢慢变冷浓缩形成星云。这些星云又沉回银盘中部,完成象喷泉一样的循环并且为银盘补充冷气云,在这里恒星的制造又重新开始。

即便银河系气体的主要组成和变化过程看起来已经确定了,但其具体细节仍然不是很清楚。天文学家将继续研究这些媒质是如何通过恒星通过媒质的不同态在银盘和银晕之间循环的。对其它星系的观测将提供给天文学家对星际活动鹰眼一般的洞察力。

一些重要的片段可能被遗漏了,例如,恒星真的是星际介质的主要能源吗?仙后超泡之上的气环看起来有些类似于太阳表面的弓状凸起,那些弓状凸起主要是太阳大气中的磁场影响产生的。那么我们星系的大气是否也是由磁场活动所支配的呢?假如如此,那么对星系大气与其恒星行星副本的类比可能比仅仅埋头苦想对研究更有效一些。

关于作者:
Ronald J.Reynolds在他六年级的时候就买了一台4.25英寸口径的反射式望远镜并使用它拍摄月面,但直到开始攻读物理的哲学博士学位,他才开始修第一门天文学课程并且考虑将其作为自己的职业。今天,Reynolds已经是麦迪逊威斯康星大学的一位天文学教授。他设计并建造了高灵敏度的光谱仪来研究银河系中的较热电离气体。他是威斯康星H-α巡天绘图计划的首要负责人,这个计划用了两年时间绘制出了整个北天的氢元素分布情况。

Ronald J.Reynolds 著
银河双子星 翻译

本文最早于2002年8月25日发表于Cougar网站上,现在重新翻出,里面有不少翻译错误,但未作修改,保持原貌,看看大二时候的我翻译的东西。

原文地址:http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=the-gas-between-the-stars
三思科学网也有另一个翻译版本有兴趣可以参考:http://www.oursci.org/archive/magazine/200202/020214.htm

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