【知道SET】宇宙中的“雾霾”星际尘埃

本集主题：宇宙中的“雾霾”— 星际尘埃

主讲人：陈丙秋

所在单位：云南大学中国西南天文研究所

曾任美国康奈尔大学行星研究中心主任，被称为“大众天文学家”和公众科学家”的卡尔萨根有句名言，即 “我们都是星尘。这一刻，你活着。这是一件了不起的事。” 活着是一场奇迹，我们都是星尘。多么美丽的一句话，在这里，星尘并不仅仅是一个拼在一起、好看、念起来又朗朗上口的词语而已，它真正的天文含义是星际尘埃，它们非常微小，半径小于1微米。

它们如同帷幕一般隔开我们与星体，吸收着特定波长的辐射，又在特定的波段发出辐射，他们制造着奇妙的景观，大部分美丽的天文图片都有着他们的身影，同时他们又是恒星与星系形成以及生命起源中重要的一环，是人类通往宇宙起源与演化奥秘的一扇门。

显微镜下星际尘埃照片，整幅图大概10微米大小。

在银河系和河外星系的恒星之间有着广袤的空间。比如离我们的恒星，太阳，最近的一颗恒星是比邻星，它距离我们大约4.2光年。在恒星与恒星之间这广袤的空间中并不是空无一物的真空，而是存在一些微小的固体颗粒，我们称之为星际尘埃。星际尘埃是怎么来的？目前，科学家们认为它们来自恒星。恒星是一个大熔炉，在恒星内部时时刻刻都发生着氢、氦等元素的核聚变。通过核聚变，恒星熔炉能产生各种重元素。而这些重元素会通过恒星表面的物质流（也就是星风）或者更剧烈的活动，如超新星爆发等过程释放到星际空间。在星际空间中，这些重元素经过一系列的复杂过程，最终形成了星际尘埃。

尘埃在宇宙中可以说是无处不在，从我们太阳系直到遥远的星系、类星体中，都有着尘埃的身影。但是目前，星际尘埃对于我们来说，更多的只是一个观测上的事实。从物理上，我们对星际尘埃的了解还远远不够。我们不知道他们的化学组成成分是什么；我们无法确定他们产生的地点是哪儿；他们什么时候形成，会存在多长时间？目前观测到许多的与星际尘埃有关的特征究竟如何解释？等等这些问题，都是长期困扰着天文学家的谜题。目前，科学家们针对星际尘埃已经有了一简单的模型假设，这些模型能合理地解释一些观测现象，比如天文学家Bruce Draine和李爱根教授提出来的硅酸盐-石墨-多环芳香烃模型，这个模型认为星际尘埃由无定型的硅酸盐颗粒和碳化物颗粒组成，能很好地解释尘埃的一些发射线特征。

迄今为止，我们还没有一个能够完美重现和预言星际尘埃形成与演化机制的“理想星际尘埃模型”。然而，在观测上，我们对星际尘埃已经有了非常清晰的认识。当遥远的星光经过星际尘埃时，会被尘埃颗粒吸收、散射。因此，地球上的观测者看到的恒星亮度相比于恒星内禀的亮度更暗，这种现象天文中叫做星际消光。

而星际消光的大小对于不同波长的光是不同的，总体来说，红端的星光收到的消光影响要比蓝端的更小，因此观测到的恒星的颜色会偏红，这种现象在天文中又叫做星际红化。消光与红化这两种现象在我们日常生活中也能经常见到。在晴朗的中午，当太阳高高挂在天上，我们看到的太阳是非常亮且偏蓝的，而在早晨或黄昏，我们看到的太阳却是昏暗偏红的，这就是因为太阳在早晚的时候与地平面的夹角比在中午的时候更小，阳光在地球大气中经过的行程更长，受到地球大气中尘埃颗粒的消光与红化更严重所导致的。除了消光与红化现象以外，天文学家还可以通过许多其他的方法来直接或者间接观测到星际尘埃；但是星际尘埃与星光的这种直接相互作用为星际尘埃的存在提供了最明显、最确切的证据。

星际尘埃吸收并散射其后面的恒星星光，使得我们看到的恒星相比于其本身更暗更红，这就是星际尘埃的消光与红化效应。

在一个晴朗的、远离城市夜天光的夜晚，当我们仰望天空，可以看到一个微弱模糊、横跨整个天空的光带，这便是我们的银河系，他由数十亿颗恒星组成。朝着银河系中心，即使用肉眼我们也可以看出恒星的分布是不连续的。我们能看到许多黑暗的斑块，这些黑暗斑块便是星际尘埃遮挡住后面恒星的光线所产生的区域。

地球上肉眼看到的银河，许多黑暗的斑块清晰可见。

1785年，是中国清朝乾隆五十年，那时中国正在经历封建社会最后的辉煌，而在西方，这一年被誉为“当代恒星天文学之父”的英国天文学家威廉·赫歇尔发表了一篇划时代的工作。他通过恒星计数的方法给出了银河系第一张结构图。在这工作中威廉赫歇尔首次注意到了银河系中的这些黑暗斑块。遗憾的是他没有将这些斑块与任何一种物质联系起来，而是将它们归因于这是没有星星的区域，他认为这是“天堂中的空洞”。直到20世纪20年代，天文学家爱德华巴纳德和马克斯沃尔夫拍摄了这些暗斑的高清照片，他们看到这些暗斑有着非常复杂的结构与子结构，因此猜测这些暗斑是天空中某些模糊的物质遮挡了其背后恒星星光的结果。这个猜测直到1930年才被证实，瑞士裔美国天文学家"罗伯特·特朗普勒发现暗斑与恒星红化有关。这表明暗斑中的恒星被小颗粒的星际尘埃遮挡，即恒星的光受到了星际尘埃消光与红化作用。

巴纳德拍摄的天空中暗斑的照片，可以看到非常复杂的结构与子结构。

目前，对星际尘埃的研究已经成为当今天体物理领域的热点前沿课题。星际尘埃主要以两种方式在天文研究中发挥其重要的作用。首先，星际尘埃对银河系的各种物理过程至关重要。如果按质量计，星际尘埃本身只占银河系质量中极小的一部分，银河系有数十亿颗恒星，所有恒星总质量大约为10的11次方个太阳质量，而星际尘埃的质量却只有大约10的7次方个太阳质量，只有恒星质量的万分之一。然而宇宙中电磁辐射总能量至少有30%是由星际尘埃发射的。星际尘埃在星系演化、恒星与行星系统的形成， 乃至生命的起源中都起着重要作用。作为固体，星际尘埃的表面为氢分子、其他简单分子和导致生命起源的复杂有机分子提供形成场所。星际尘埃不仅有利于星际中的气体冷却以形成下一代恒星，更可以说是行星以及生命形成的基础“砖块”。还有一些研究认为，星际尘埃是许多有机分子的宇宙飞船，生命就是通过星际尘埃传播的。

除了直接影响银河系的大部分物理过程外，星际尘埃还间接地影响了天文学的许多研究领域。由于星际尘埃会吸收和散射可见光与近红外波段的光线，产生消光与红化效应，所以星际尘埃会影响在这些频率下进行的大多数观测，依赖这些观测的科学必须考虑去除星际尘埃的影响。所以在确定一个天体的真实亮度的时候，了解这个天体经过的尘埃数量是至关重要的。目前，天文学家们已经制作了一系列的星际尘埃分布图，通过这些分布图，我们可以确定天空中特定位置处的尘埃量，从而改正位于这个位置的恒星所受到的尘埃消光和红化的影响。而我的工作之一就是制作精确可靠的星际尘埃分布图，以方便天文学家更加精确地获取到观测天体的内禀性质，从而更加清晰地认识我们的宇宙。

银河系的尘埃分布假想图

四、知识点总结

1. 什么是星际尘埃？

星际尘埃是存在于银河系以及河外星系中恒星之间微小的固体颗粒，他们会对背景星光产生消光与红化作用。

2. 研究星际尘埃的意义？

分为两方面，一方面使我们更加深刻地理解星系演化、恒星与行星系统的形成， 乃至生命的起源的各类物理过程。另一方面使我们能够更加精确地去除星际尘埃的消光以及红化影响，更加清晰地了解我们的宇宙。

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