在太阳附近大约每4~5个光年才会碰到另外一颗恒星，所以恒星和恒星之间的距离比它们的直径要大很多，在这个星际空间里面是不是还有其他的物质呢？

星际物质，分布在星际空间的物质

以前人们认为星际空间里面是没有什么物质的，但是这个观点从银河系的银道面图像里面可以看到是错误的，实际上星际空间里面充满了各种各样的物质，虽然它们的密度是非常低的，图像里最显著的是那些黑色不规则的区域，这是由分子和尘埃构成的致密气体，恒星以及它周围所照亮的气体云，因此气体是星系的一个组成成分，统称为“星际物质”。

星际物质，就是分布在星际空间的物质，但是它并不仅仅包括物质，还包括了星际气体、尘埃、宇宙线以及星际磁场。星际物质在整个银河系里面所占有的质量比重是不高的，大约是恒星质量的10%，但是它所占有的体积远远地超过恒星，在星际物质里气体大约占99%，而尘埃是占1%。根据对星际物质的观测研究发现，它们主要分布在银道面附近1000光年内的范围里。

星际气体

主要是由氢元素构成的，根据氢元素所处的环境不同，氢的组成方式也是不一样的，既有原子形式的氢，也有离子形式的氢和分子形式的氢，并且它们在空间的分布是很不均匀的。

图解：红色的氢原子，绿色的氢分子，灰色的热气体

氢的原子状态主要是在几条旋臂状的结构里面，它们分布在银河系的旋臂上，而氢的分子既有在旋臂上分布，也有在银河系中心，热气体分布在整个银河系里，不同形式的氢，它们的粒子数密度差别很大，有些相对来讲是非常致密的，有些是非常稀疏的，所以密度低的可以到10的-2次方个每立方厘米，高的可以达到10的6次方格每立方厘米。

不同类型氢的表现方式

• 氢离子

氢离子的存在意味着氢原子里的电子已经电离了，逃脱了原子核的束缚，之所以电子能够离开原子核，是因为它所处的温度比较高，或者它受到了外界的影响，最主要的原因是在原先中性氢的气体里或者在它的附近有年轻的大质量恒星，这些恒星通常是高温的，所以它们所产生的辐射携带的能量是非常高的，一般是在紫外波段。

图解：红色——代表电离氢的辐射，氢之所以会产生辐射，主要的原因是来自于中心的年轻星团——NGC 2244

• 氢原子

如果在气体的周围或者内部没有高温的恒星，这个时候氢就处于原子的状态，而处于原子状态的氢，同样可以通过不同的手段来发现和研究它们，主要的方式有两种：

1.对恒星光谱的星际吸收。

2.自发跃迁产生21厘米电谱线。

第1种称为“星际的吸收线”，在星际空间里面充满了星际的气体，所以去观测一个遥远的天体，比如恒星的辐射在到达我们望远镜的时候，辐射必定要穿越过不同距离上的气体云，每一个气体云都可能会对恒星原来辐射出来的光子产生吸收和散射，这样在恒星的光谱上就会出现不同的吸收线，所以去观测一颗恒星的光谱，它的吸收线既有来自于恒星大气的吸收，也有来自于星际气体的吸收，这两类吸收在性质上会有很大的差别。比如星际吸收线是非常尖锐的并且不会发生谱线的变化，但是星际空间里的气体就没有这样的特征，这是研究星际气体的一种方式。

图解：恒星光谱

第2种是利用氢原子的跃迁过程，这种跃迁称为“星际结构的变化”，一个氢原子是由一个质子和一个电子来组成的，电子在围绕质子做轨道运动，同时电子还在自旋，自旋的方向和它的轨道运动方向可以是平行的，也可以是反平行的，这两种状态所对应的能级是不一样的。平行的状态比反平行的状态，能级要高一些，所以一个原子它可能会从平行的状态跃迁到反平行的状态会释放一个光子，当然反过来的过程也会发生，那么就会吸收一个光子，这个光子的能量和两个状态的能级差是完全相等的，所对应的波长是21厘米射电波段，所以可以通过21厘米谱线的观测去研究中性的氢原子的性质。

图解：状态跃迁

• 氢分子

如果环境的温度特别低，这个时候氢原子就会结合形成分子，对应的温度通常要比20K还要更低一些，对于分子状态的氢如果要产生辐射，主要是通过转动的变化，也就是所谓的“转动跃迁”，这个时候产生的辐射也落在了射电波段，但是由于氢分子本身是一个轴对称的，所以没有转动跃迁所产生的射电辐射，只有借助于其他的分子，比如一氧化碳分子，我们把这类分子叫做“适中分子”，而它的含义是一氧化碳分子往往与氢分子出现在同一个地区，并且两者之间的质量比例关系是一致的，所以测量到了一氧化碳分子就可以大体地推测在那个地区会有多少的氢分子。

利用一氧化碳分子的谱线观测可以得到分子气体云的分布，同样分子气体云的分布也是不均匀的，有些区域是非常密的，有些区域相对来讲比较稀疏，把密集的区域称为“分子云”，除了氢之外，通过分子谱线的观测还发现了很多宇宙空间里的分子，既有无机的分子，也有有机的分子。

尘埃

尘埃虽然在星际物质里占有1%的质啊，但是它的作用却非常大，原子要结合变成分子所需要的媒介就是尘埃的颗粒，所以尘埃往往和分子是结合在一起的。

研究尘埃也是通过它对于外界的辐射影响和它自身的辐射两方面来入手的，下面的两张图就展示了“蛇夫星云”这个天区光学波段和红外波段的观测图像，光学波段看到中心出现了一个形状不规则的黑色区域，这个区域并不是真的没有恒星，而是在它的前方有一个气体云，这个气体云里面包含了大量的尘埃，尘埃物质吸收阻挡了背后恒星的辐射，所以没法看到背后恒星的辐射，但是尘埃受到恒星星光的照射之后，它们自身的温度会升高，所以会产生“再辐射”，这个“再辐射”并不是在光学波段，而是在红外波段，所以用红外望远镜去观测同样天区，就会看到来自于这一片区域的尘埃颗粒所产生的辐射。

重点回顾

• 星际物质

-分布在星际空间的物质。

-其中还包括星际气体、尘埃、宇宙线与星际磁场。

-质量约为银河系恒星恒星质量的10%，其中气体占99%，尘埃占1%。

-分布在银道面附近1000光年内的范围里。

• 星际气体

-主要由氢构成，包括氢原子、氢离子和氢分子。

-空间分布很不均匀，且密度低。

• 不同类型氢的表现方式

-氢离子——中性氢气体被附近高温恒星的紫外辐射电离。

-氢原子——对恒星光谱的星际吸收，自发跃迁产生21厘米射电谱线。

氢分子——星际分子的形成需要很低的温度，分子的转动跃迁可以产生射电或吸收，虽然氢分子没有射电辐射/吸收，但通常与一氧化碳等分子的质量比例关系是一致的，可以利用一氧化碳的辐射研究氢分子的分布，观测发现星际分子往往聚集成团形成分子云。

• 尘埃

-对星光的吸收和散射。

-受到加热后产生红外热辐射

黄媂/作品


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