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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 宇宙学·新天体·“空虚”的空间
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日12:46:48 星期六), 站内信件



　　　　阿西莫夫最新科学指南·宇宙学·新天体

　　　　　　　　[美]I. 阿西莫夫　著　　朱　岚　译

“空虚”的空间

　　但是，如果说宇宙中存在着使我们惊奇的天体的话，在恒星
之间广大并非空虚的空间里，也存在着许多令人惊奇的东西。这
个并非真正“空虚的”空间，已证明是天文学家观测比较近的天
空的一个困难。
　　在某种意义上，最难观测的星系是我们的银河系。原因之一
就是我们处在银河系之中，而其他星系我们都可以从外面看到它
们的全貌。两者之间的差异就好像站在一个低屋顶上和在飞机上
观看一个城市一样。而且，我们离银河系中心相当远，更有甚者，
我们处在一个充满尘埃的旋臂上。换句话说，我们就好像是在一
个有雾的天气里，站在郊外的低屋顶上眺望城市。
　　一般说来，即使在最好的情况下，恒星间的空间也不是完全
的真空。在各星系内部，通常都有一种稀薄的气体弥漫于其间。
1904年，德国天文学家哈特曼首先探测到由这种星际气体引起的
光谱吸收线。在一个星系的边缘，气体和尘埃的浓度变得很大。
我们可以看到在较近星系的周围有这种暗尘埃雾。



图：马头星云

　　实际上，有一种简单的方法，我们可以把银河系的尘埃云看
成是银河里的暗区。例如，黑暗的马头星云，就是由环绕在其周
围的几百万颗明亮的恒星衬托出来的；而位于南十字座的煤袋暗
星云则是另一个有名的例子，它距离我们约400光年， 尘埃粒子
散布在直径为30光年的区域中。



图：银河中的暗区煤袋星云

　　虽然气体尘埃云遮住了我们直接观看银河系旋臂的视线，但
是我们仍可借助分光镜观测旋臂的结构。气体尘埃云中的氢原子
被旋臂中的明亮的星族Ⅰ的恒星所发射的高能辐射电离成带电的
亚原子粒子。1951年初）美国天文学家摩根发现电离氢的条纹，
并标示出蓝巨星——也就是旋臂——的谱线。它们的光谱与仙女
座星系旋臂所显示的光谱非常相似。
　　最靠近我们的这样一条电离氢条纹，包含了位于猎户座的蓝
巨星，因此这个条纹被称为猎户臂，我们的太阳系就在这个旋臂
中。另外两条旋臂也是用同样的方法找到的，其中一条比我们距
离银心还远，包含了英仙座的巨星，称为英仙臂。另一条距离银
心较近，含有人马座里的亮星云（人马臂）。每条臂似乎有大约
10000光年长。
　　后来射电波成为一种更有力的工具，因为它不仅可以穿透模
糊的星云，顶且还能够通过它们自己的声音让星云讲出自己的经
历。这是荷兰天文学家范得胡斯特研究的结果。1944年，荷兰在
纳粹军队的占领之下，天文方面的观测几乎是不可能的，因此，
范得胡斯特只能利用纸和笔来研究星际气体中的主要成分普通氢
原子的特性。
　　他提出，这种原子偶尔在碰撞时会改变它们的能态，并在改
变能态的过程中放射出光谱中射电部分的微弱辐射。一个氢原子
大约要1100万年才改变一次能态；但是星系际空间存在着大量的
氢原子，因此，每时每刻都会有足够的氢原子发射出可以连续探
测到的辐射。
　　范得胡斯特计算这种辐射的波长应该是21厘米，果然，随着
战后新射电技术的发展，1951年，哈佛大学的琅塞耳和尤恩探测
到了这支“氢之歌”。
　　通过接收聚集氢的21厘米辐射，天文学家能够察觉各条旋臂
的踪迹，并跟踪很长的距离——在大多数情况下几乎能绕银河系
一周。于是发现了更多的旋臂， 而氢的聚集图显示出6个以上的
条纹。
　　此外，“氢之歌”还告诉了我们氢的运动情况。像所有波一
样，这种辐射也有多普勒－斐索效应，。这就使天文学家能够测
量出运动着的氢云的速度，从而除了别的之外，探测到我们银河
系的旋转。这项新技术证实，银河系的旋转周期（在我们到银心
的距离上）为2亿年。
　　在科学上，每一项新发现都会打开通往新的神秘的大门，同
时，最重大的发展往往来自意外的发现，即推翻原有观点的发现。
这里有一个有趣的例子，对我们银心的一个氢聚集区的射电研究，
发现了一个令人困惑的现象。似乎仍在扩散着的氢却被局限在银
河系的赤道面上。这种扩散本身是令人惊奇的，因为没有一种理
论能够解释这种现象。而且，如果氢正在扩散着，那么，在银河
系长久存在期间，它为什么没有全部消散？它是否表示，像奥尔
特所猜想的那样，大约1000万年前银河系中心曾经爆发，如同更
近时期M-82所发生的爆发一样？再者，氢的平面并不是非常平的，
而是一端向下弯曲，另一端则向上弯曲，为什么会有这种现象，
到目前还没有人提出适当的解释。
　　就射电波而言，氢不是（也不应该是）惟一的元素。每一种
不同的原子或原子的组合，都能够发射出特征射电辐射，或者从
总的背景中吸收特征射电辐射。因此，天文学家便自然地开始搜
寻除最普通的氢以外的其他原子的蛛丝马迹。
　　自然界里的氢几乎都属于最简单的一种，即氢－１，另外，
还有一种比较复杂的氢－２，也称为氘或重氢，天文学家仔细搜
寻天空中不同位置放射的射电波辐射，企图找出理论预测的氘的
波长。1966年终于探测到了这种波长，同时测知宇宙中氢－２的
含量大约是氢１的5％。



图：全天氢分布图，横亘在中间的是银河

　　宇宙中最普通的成分，除了氢以外，就是氦和氧了。一个氧
原子和一个氢原子结合形成一个羟基。在地球上，这种结合是极
不稳定的，因为羟基很活泼，几乎可以与它遇到的所有其他原子
或分子结合。它特别容易与第二个氢原子结合形成一个水分子。
然而，在星际空间中，由于原子扩散得很稀薄，因而原子间碰撞
的机会极少，羟基一旦形成，就会长时间不受干扰，正如1953年
苏联天文学家什克洛夫斯基所指出的那样。
　　经计算证明，这种羟基会放射或吸收4种特殊波长的射电波。
1963年10月，其中的两种射电波被麻省理工学院林肯实验室的射
电工程师小组探测到。
　　由于羟基的质量大约是单个氢原子的17倍，所以运动比较缓
慢。在任何特定的温度下，羟基的运动速度只有氢原子的1/4。一
般来说，运动会使波长变得模糊起来，因此，羟基的波长比氢的
清晰。羟基的位移比较容易测定，同时，也比较容易判断含有羟
基的气体云是在接近还是在退离。
　　当天文学家在广阔的星际空间发现了含有两个原子的化合物
时，虽然很高兴，但并不感到十分惊讶。他们自然而然地开始搜
寻其他化合物，但并不抱有很大的希望。由于在星际空间原子扩
散得十分稀薄，因此，使两个以上的原子有足够长的时间相聚而
形成化合物的机会是极少的。不如氧原子普遍的原子（例如碳和
氮，它们是仅次于氧的比较容易形成化合物的元素）似乎根本没
有形成化合物的可能性。
　　但是，从1969年开始，却出现了真正令人惊讶的事情。同年
11月，天文学家发现了水分子（H2O）的射电波“指纹”。 这些
水分子是由2个氢与1个氧共3个原子结合成的。 在同一个月里，
还探测到了氨分子（NH3），这更加令人惊奇。氨分子是由4个原
子结合成的，其中3个是氢，另1个是氮。
　　1969年，又探测到含有1个碳原子的4原子化合物。这就是甲
醛（H2CO）。
　　1970年又有一些新发现，其中包括5原子的分子丙炔腈，它
含有一条由3个碳原子构成的链（HCCCN）；另外还探测到含有6
个原子的分子甲醇（CH3OH）。
　　1971年，探测到由7个原子结合成的甲基乙炔（CH3CCH）分
子。而1982年，探测到13个原子的化合物氰基癸五炔，它含有1
条由11个碳原子构成的直链，链的一端有1个氢原子，另一端有
1个氮原子（HC11N）。
　　天文学家们发现，他们面临着一门崭新的、未曾预料到的科
学分支：天体化学。
　　这些原子是如何聚集在一起而形成复杂分子的呢？这种分子
在恒星的硬辐射的冲击下是怎样保留下来的呢？在通常情况下，
这些分子是会被分解的。对此目前天文学家还无法解释。据推测，
这些分子并不是在我们想象的空虚的星际空间形成的，而可能是
在即将演化成恒星的正在增厚的尘埃云区域产生的。
　　如果是这样的话，人们可能会探测到更加复杂的分子，而这
些分子的存在会使我们对行星上生命演化的观点发生彻底的改变。
对此我将在下面几章中加以阐述。


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