星際物質

星際物質

星際物質(縮寫為ISM是存在於星系和恆星之間的物質和輻射場(ISRF)的總稱。星際物質在天文物理的準確性中扮演著關鍵性的角色,因為它是介於星系和恆星之間的中間角色。

恆星在星際物質密度較高的分子雲中形成,並且經由行星狀星雲恆星風超新星獲得能量和物質的重新補充。換個角度看,恆星和星際物質的相互影響,可以協助測量星系中氣體物質的消耗率,也就是恆星形成的活耀期的時間。

基本介紹

星際物質的結構,星際物質觀測,星際物質的性質,歷史,問題,

星際物質的結構

恆星之間的物質﹐包括星際氣體星際塵埃和各種各樣的星際雲﹐還可包括星際磁場宇宙線。星際物質的總質量約占銀河系總質量的5%。平均密度為10/厘米﹐相當於平均數密度為每立方厘米1個氫原子﹐密度範圍是10~10/厘米。這種密度是地球上的實驗室中遠未達到的真空度(目前實驗室的最高真空度為10^-7毫米水銀柱,相當於每立方厘米 32﹐000個質點)。星際物質的溫度相差很大,從幾K到千萬K。
星際物質在銀河系內分布的特點是:不均勻性,不同區域的星際物質密度可相差很大﹐星際氣體和塵埃當聚集成質點數密度超過每立方厘米10~10個時﹐就成為星際雲﹐雲間密度則低到每立方厘米0.1個質點。星際物質和年輕恆星高度集中在銀道面,尤其在旋臂中。
星際氣體包括氣態原子﹑分子﹑電子﹑離子,其化學組成可以通過各種電磁波譜線的測量求出。結果表明﹐星際氣體的元素豐度與根據太陽﹑恆星﹑隕石得出的宇宙豐度相似,即最多,次之,其他元素很低。下表第二行是按對數尺度列出的宇宙豐度,第三行是按對數尺度表示的太陽與蛇夫座ζ星之間的星際氣體元素豐度,第四行為二者的差值。星際氣體中,90%是氫,氦約占10%,其他的元素如、氮、等總共不到1%。星際氣體根據主要元素──氫原子的存在形式而分為電離氫區中性氫區
星際塵埃 是直徑約10(或10)厘米的固態質點,分散在星際氣體中。星際塵埃總質量約占星際物質總質量的10%。星際塵埃可能是由下列物質組成的;﹑甲烷等的冰狀物二氧化矽矽酸鎂三氧化二鐵等礦物﹔石墨晶粒;上述三種物質的混合物。星際塵埃散射星光,使星光減弱;這種現象叫作星際消光。星際消光隨波長的增長而增長﹐星光的顏色也隨之變紅﹔這種現象叫作星際紅化。星際塵埃對於星際分子的形成和存在具有重要的作用。一方面塵埃能阻擋星光紫外輻射不使星際分子離解﹐另一方面固體塵埃作為催化劑能加速星際分子的形成。
星際物質(縮寫為ISM)是存在於星系和恆星之間的物質和輻射場(ISRF)的總稱。星際物質在天文物理的準確性中扮演著關鍵性的角色,因為它是介於星系和恆星之間的中間角色。恆星在星際物質密度較高的分子雲中形成,並且經由行星狀星雲恆星風、和超新星獲得能量和物質的重新補充。換個角度看,恆星和星際物質的相互影響,可以協助測量星系中氣體物質的消耗率,也就是恆星形成的活耀期的時間。
以地球的標準,星際物質是極度稀薄的等離子、氣體、和塵埃,是離子、原子、分子、塵埃、電磁輻射宇宙射線、和磁場的混合體。物質的成分是99%的氣體和1%的塵埃,充滿在星際間的空間。這種極端稀薄的混合物,典型的密度從每立方米只有數百到數億個質點,以太初核合成的結果來看氣體的成分,在數量上應該是90%和10%的,和其他微跡的“金屬”(以天文學說法,除氫和氦以外的元素都是金屬)。

星際物質觀測

星際物質的觀測 可以在不同的電磁波段進行。例如 1904年﹐在分光雙星獵戶座 δ 的可見光譜中發現了位移不按雙星軌道運動而變化的星際離子吸收線﹐首次證實星際離子的存在。
1930年﹐觀測到遠方星光顏色變紅﹐色指數變大(即星際紅化)﹐首次證實星際塵埃的存在。1951年﹐通過觀測銀河系中性氫21厘米譜線﹐證實星際氫原子的大量存在。1975年﹐利用人造衛星紫外光譜儀觀測100多顆恆星的星際消光與波長的關係﹐得知2200埃附近的吸收峰。1977年﹐觀測星際X射線波段﹐發現οⅦ21.6埃(0.57千電子伏)的譜線﹐確認存在著溫度達10~10K的高溫氣體。
星際物質與恆星物質的關係,根據現代恆星演化理論﹐一般認為恆星早期是由星際物質聚集而成﹐而恆星又以各種爆發﹑拋射和流失的方式把物質送回星際空間。

星際物質的性質

當我們提到宇宙空間時,我們往往會想到那裡是一無所有的、黑暗寂靜的真空。其實,這不完全對。恆星之間廣闊無垠的空間也許是寂靜的,但遠不是真正的“真空”,而是存在著各種各樣的物質。這些物質包括星際氣體、塵埃和粒子流等,人們把它們叫做“星際物質”。
星際物質與天體的演化有著密切的聯繫。觀測證實,星際氣體主要由氫和氦兩種元素構成,這跟恆星的成分是一樣的。人們甚至猜想,恆星是由星際氣體“凝結”而成的。星際塵埃是一些很小的固態物質,成分包括碳合物、氧化物等。星際物質在宇宙空間的分布並不均勻。在引力作用下,某些地方的氣體和塵埃可能相互吸引而密集起來,形成雲霧狀。人們形象地把它們叫做“星雲”。按照形態,銀河系中的星雲可以分為瀰漫星雲行星狀星雲等幾種。

歷史

“星際的”這個名詞最早出現在1626年,是弗朗西斯·培根在他的文稿中使用的。他寫道:"The Interstellar Skie.. hath .. so much Affinity with the Starre, that there is a Rotation of that, as well as of the Starre." (Sylva §354–5).自然哲學家羅伯特·博伊爾在1674年的論述中提到:"星際中的空間在享樂主義的觀點中是空無一物的"。直到19世紀,星際物質的本質才受到天文學家和科學家的注意。
在1862年,帕特孫寫道:"氣流引發的顫動,或是震動運動,是以太充塞在空中造成的。"(Ess. Hist. & Art 10)以太的觀念延續到20世紀,有些特性被描述出來。在1912年,威廉·亨利·皮克林寫道:"造成星際吸收的介質簡單的說就是以太,他會選擇性的吸收,就如卡普坦所指出的是一些氣體的特性,還有一些自由的氣體分子,她們可能是由太陽和恆星經常不斷的釋放出來…..."
在1913年,挪威的探險家兼物理學家克利欣·白克蘭寫道:"以我們的觀點,假設空間整體充滿了電子,各種電子和離子的飛躍,似乎是自然的結果,因為我們假設恆星系統在演化的過程中,不停的將帶電的微粒拋射入太空中。因此在宇宙各處,也就是"空無一物"的太空中,都能發現物質充塞著,不僅是在太陽系和星雲之中,應該是合情合理的。(See "Polar Magnetic Phenomena and Terrella Experiments", in The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 (publ. 1913, p.720).
在1930年,塞繆爾․L․桑代克記載著: ".. 實在很難相信存在於恆星之間的巨大空間會完全的空無一物,地球的極光可能是被來自於太陽帶電粒子,從太陽輻射出來的粒子激發產生的。如果其他數以百萬計的恆星也都發射出離子,如果是毫無疑問的,那么星系之間便不可能是絕對的真空了。"

問題

由於大量星際物質的存在,天體發射出來的光線被吸收、減弱,這稱作星際消光。此外,天體的光線還被散射,使光線變紅,這稱作星際紅化。在恆星研究中需要對星際紅化進行修正。
星際世界泛指所有在行星間(含地球)恆星間與星系間的廣大空間,距離從數億公里(行星間)至數光年(恆星間)至無限距離。通常會充塞著無數的星際物質,溫度大約零下200多度。更涵括多重宇宙平行宇宙及高維度空間與其無窮延伸

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