恒星之間的空白地帶

■ 顏士州

我們用肉眼看去，星星之間似乎是空無一物的。恒星之間有沒有物質(zhì)存在呢？恒星之間是真空嗎？

在20世紀(jì)初，德國著名天文學(xué)家哈特曼發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：在獵戶座δ的光譜中出現(xiàn)一條電離鈣生成的暗譜線。獵戶座δ是顆溫度很高的恒星，照理說，這種恒星的光譜中不應(yīng)該出現(xiàn)金屬譜線的。更奇怪的是，獵戶座δ是顆分光雙星，由于雙星互相繞轉(zhuǎn)，它的光譜線都有周期性的位移，唯獨(dú)這條電離鈣的譜線的波長沒有變化。這條鈣譜線是怎樣來的呢？哈特曼提出自己的看法，他認(rèn)為，產(chǎn)生電離鈣譜線的那些物質(zhì)對于地球是靜止的，就是說，在恒星和地球之間存在著塵埃和氣體，它們叫星際物質(zhì)，它們吸收恒星發(fā)出的光，所以產(chǎn)生出鈣的暗譜線。哈特曼的看法是否正確呢？天文學(xué)家對其他一些高溫的分光雙星做了觀測，結(jié)果又發(fā)現(xiàn)了沒有位移的中性鈉的暗譜線。這說明哈特曼的看法是對的，星際空間中確實(shí)存在著吸光物質(zhì)。1930年，又有天文學(xué)家從另外的角度證實(shí)星際物質(zhì)的存在。瑞士天文學(xué)家特朗普勒是位研究星團(tuán)的專家。因?yàn)樾菆F(tuán)距離越遠(yuǎn)，它的亮度越暗，因此根據(jù)星團(tuán)的亮度可以推算出星團(tuán)的距離。而知道距離就可由觀測到的星團(tuán)的角直徑計(jì)算出星團(tuán)的真直徑。特朗普勒在研究疏散星團(tuán)的距離和大小時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的結(jié)果：星團(tuán)距離越遠(yuǎn)，星團(tuán)的真直徑越大。這個(gè)奇怪的結(jié)果間接地證實(shí)了星際空間存在吸收光線的星際物質(zhì)，它們吸收星團(tuán)發(fā)出的光使星團(tuán)的亮度變小，使我們誤以為它們很遠(yuǎn)，根據(jù)夸大的距離計(jì)算出星團(tuán)的大小也就夸大了。這才造成星團(tuán)距離越遠(yuǎn)，其直徑越大的錯(cuò)誤結(jié)論。至此，天文學(xué)家普遍承認(rèn)恒星之間并非真空，而是充滿星際物質(zhì)。

這些物質(zhì)是些什么呢？它們的化學(xué)成分怎樣呢？天文學(xué)家做了大量觀測，不僅觀測到鈣、鈉、鉀、鐵、鈦等元素發(fā)出的星際譜線，還觀測到碳、氮和氫組成的分子化合物產(chǎn)生的星際譜線和譜帶，人們還把光譜儀放到人造衛(wèi)星上去觀測，又發(fā)現(xiàn)了許多元素，如氧、鎂、硅、磷、氯、氬、錳等產(chǎn)生的星際譜線。我們知道，宇宙中最豐富的元素是氫，星際空間有沒有氫原子呢？氫原子所產(chǎn)生的譜線波長較長，不在可見光的范圍。要想探測氫，必須用射電望遠(yuǎn)鏡去觀測。1944年，范德胡斯特當(dāng)時(shí)還是個(gè)大學(xué)生，他的畢業(yè)論文題目就選的是宇宙中氫原子的探測問題。他經(jīng)過理論計(jì)算指出，宇宙空間中的氫原子能夠發(fā)射出波長為21厘米的無線電波。不過一個(gè)氫原子平均要1千萬年才發(fā)生一次21厘米波長的無線電波，是極稀有的事件，但由于星際空間中氫原子太豐富了，星際氫原子的21厘米無線電波是足夠強(qiáng)的，能夠用射電望遠(yuǎn)鏡探測到。1951年美國的射電天文學(xué)家根據(jù)范德胡斯特的建議，果然在21厘米波長上接收到氫原子發(fā)出的無線電波。分析觀測資料表明，星際氫原子聚集在銀河中，這些氫原子的氣體溫度很低，平均為60K，密度很小，一個(gè)立方米的空間內(nèi)才有10萬個(gè)氫原子。一個(gè)星際氫原子大約每300年才和周圍的氫原子碰撞一次！而地球大氣的分子間每秒鐘卻要碰撞10億次！

除了氫原子之外，天文學(xué)家還用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)在恒星際空間存在著許多分子，這些星際分子的種類不下六七十種之多，有十幾種無機(jī)分子，像水、氨、一氧化碳等，其余都是有機(jī)分子，如甲醛、乙醇等。此外還有星際塵埃，它們是些直徑在十幾分之一微米的小顆粒，主要成分是水冰、石墨、硅酸鹽以及金屬等等。星際物質(zhì)在空間中的分布是不均勻的，在有些區(qū)域星際物質(zhì)特別稠密，像是一片片云霧。從前的天文學(xué)家在觀星的時(shí)候，看到天上有許多發(fā)亮的云霧狀天體，便把它們叫做星云。有的星云沒有規(guī)則的形狀叫做彌漫星云，用肉眼可以看到的星云只有獵戶座大星云，它就是個(gè)彌漫星云。有的星云有個(gè)圓形或橢圓形的小面積，很像個(gè)行星，這類星云叫做行星狀星云。

不同星云的大小、密度、溫度各不相同。行星狀星云的直徑，平均為0.3光年，星云質(zhì)量約0.2個(gè)～0.6個(gè)太陽質(zhì)量，星云的密度為每立方米中含有1億～100億個(gè)星云物質(zhì)粒子，溫度為1000K～10000K。而彌漫星云的大小和質(zhì)量卻大得多，例如獵戶座大星云的直徑有300光年以上，質(zhì)量大約為5萬個(gè)～10萬個(gè)太陽質(zhì)量，最亮的部分的密度為每立方米100億個(gè)原子，溫度約8000K。暗星云也屬于彌漫星云，估計(jì)暗星云中塵埃的質(zhì)量大約為20個(gè)太陽質(zhì)量，氣體為200個(gè)～300個(gè)太陽質(zhì)量，暗星云由于得不到亮星的照射，它的溫度只有10K。星際分子組成的星云叫分子云，在獵戶座大星云就有一個(gè)大分子云?，F(xiàn)在天文學(xué)家認(rèn)為，恒星就是從分子云中誕生的。

還有一類星云，用望遠(yuǎn)鏡觀測它是個(gè)小而暗的圓形暗斑，人們把它叫做球狀體。星際空間還有些看不見的物質(zhì)，人們認(rèn)為宇宙中暗物質(zhì)的質(zhì)量比發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量還大。