本集主題：宇宙中的“霧霾” 星際塵埃

主講人：陳丙秋

所在單位：雲南大學中國西南天文研究所

曾任美國康奈爾大學行星研究中心主任，被稱為“大衆天文學家”和“公衆科學家”的卡爾薩根有句名言，即“我們都是星塵。這一刻，你活着。這是一件了不起的事。”活着是一場奇迹，我們都是星塵。多麼美麗的一句話，在這裡，星塵并不僅僅是一個拼在一起、好看、念起來又朗朗上口的詞語而已，它真正的天文含義是星際塵埃，它們非常微小，半徑小于1微米。它們如同帷幕一般隔開我們與星體，吸收着特定波長的輻射，又在特定的波段發出輻射，他們制造着奇妙的景觀，大部分美麗的天文圖片都有着他們的身影，同時他們又是恒星與星系形成以及生命起源中重要的一環，是人類通往宇宙起源與演化奧秘的一扇門。

顯微鏡下星際塵埃照片，整幅圖大概10微米大小

在銀河系和河外星系的恒星之間有着廣袤的空間。比如離我們的恒星，太陽，最近的一顆恒星是比鄰星，它距離我們大約4.2光年。在恒星與恒星之間這廣袤的空間中并不是空無一物的真空，而是存在一些微小的固體顆粒，我們稱之為星際塵埃。星際塵埃是怎麼來的？目前，科學家們認為它們來自恒星。恒星是一個大熔爐，在恒星内部時時刻刻都發生着氫、氦等元素的核聚變。通過核聚變，恒星熔爐能産生各種重元素。而這些重元素會通過恒星表面的物質流（也就是星風）或者更劇烈的活動，如超新星爆發等過程釋放到星際空間。在星際空間中，這些重元素經過一系列的複雜過程，最終形成了星際塵埃。

塵埃在宇宙中可以說是無處不在，從我們太陽系直到遙遠的星系、類星體中，都有着塵埃的身影。但是目前，星際塵埃對于我們來說，更多的隻是一個觀測上的事實。從物理上，我們對星際塵埃的了解還遠遠不夠。我們不知道他們的化學組成成分是什麼；我們無法确定他們産生的地點是哪兒；他們什麼時候形成，會存在多長時間？目前觀測到許多的與星際塵埃有關的特征究竟如何解釋？等等這些問題，都是長期困擾着天文學家的謎題。目前，科學家們針對星際塵埃已經有了一簡單的模型假設，這些模型能合理地解釋一些觀測現象，比如天文學家Bruce Draine和李愛根教授提出來的矽酸鹽-石墨-多環芳香烴模型，這個模型認為星際塵埃由無定型的矽酸鹽顆粒和碳化物顆粒組成，能很好地解釋塵埃的一些發射線特征。

迄今為止，我們還沒有一個能夠完美重現和預言星際塵埃形成與演化機制的“理想星際塵埃模型”。然而，在觀測上，我們對星際塵埃已經有了非常清晰的認識。當遙遠的星光經過星際塵埃時，會被塵埃顆粒吸收、散射。因此，地球上的觀測者看到的恒星亮度相比于恒星内禀的亮度更暗，這種現象天文中叫做星際消光。

而星際消光的大小對于不同波長的光是不同的，總體來說，紅端的星光收到的消光影響要比藍端的更小，因此觀測到的恒星的顔色會偏紅，這種現象在天文中又叫做星際紅化。消光與紅化這兩種現象在我們日常生活中也能經常見到。在晴朗的中午，當太陽高高挂在天上，我們看到的太陽是非常亮且偏藍的，而在早晨或黃昏，我們看到的太陽卻是昏暗偏紅的，這就是因為太陽在早晚的時候與地平面的夾角比在中午的時候更小，陽光在地球大氣中經過的行程更長，受到地球大氣中塵埃顆粒的消光與紅化更嚴重所導緻的。除了消光與紅化現象以外，天文學家還可以通過許多其他的方法來直接或者間接觀測到星際塵埃；但是星際塵埃與星光的這種直接相互作用為星際塵埃的存在提供了最明顯、最确切的證據。

星際塵埃吸收并散射其後面的恒星星光，使我們看到的恒星比其本身更暗更紅，這就是星際塵埃的消光與紅化效應

在一個晴朗的、遠離城市夜天光的夜晚，當我們仰望天空，可以看到一個微弱模糊、橫跨整個天空的光帶，這便是我們的銀河系，他由數十億顆恒星組成。朝着銀河系中心，即使用肉眼我們也可以看出恒星的分布是不連續的。我們能看到許多黑暗的斑塊，這些黑暗斑塊便是星際塵埃遮擋住後面恒星的光線所産生的區域。

地球上肉眼看到的銀河，許多黑暗的斑塊清晰可見

1785年，是中國清朝乾隆五十年，那時中國正在經曆封建社會最後的輝煌，而在西方，這一年被譽為“當代恒星天文學之父”的英國天文學家威廉·赫歇爾發表了一篇劃時代的工作。他通過恒星計數的方法給出了銀河系第一張結構圖。在這工作中威廉赫歇爾首次注意到了銀河系中的這些黑暗斑塊。遺憾的是他沒有将這些斑塊與任何一種物質聯系起來，而是将它們歸因于這是沒有星星的區域，他認為這是“天堂中的空洞”。直到20世紀20年代，天文學家愛德華巴納德和馬克斯沃爾夫拍攝了這些暗斑的高清照片，他們看到這些暗斑有着非常複雜的結構與子結構，因此猜測這些暗斑是天空中某些模糊的物質遮擋了其背後恒星星光的結果。這個猜測直到1930年才被證實，瑞士裔美國天文學家"羅伯特·特朗普勒發現暗斑與恒星紅化有關。這表明暗斑中的恒星被小顆粒的星際塵埃遮擋，即恒星的光受到了星際塵埃消光與紅化作用。

巴納德拍攝的天空中暗斑的照片，可以看到非常複雜的結構與子結構

目前，對星際塵埃的研究已經成為當今天體物理領域的熱點前沿課題。星際塵埃主要以兩種方式在天文研究中發揮其重要的作用。首先，星際塵埃對銀河系的各種物理過程至關重要。如果按質量計，星際塵埃本身隻占銀河系質量中極小的一部分，銀河系有數十億顆恒星，所有恒星總質量大約為10的11次方個太陽質量，而星際塵埃的質量卻隻有大約10的7次方個太陽質量，隻有恒星質量的萬分之一。然而宇宙中電磁輻射總能量至少有30%是由星際塵埃發射的。星際塵埃在星系演化、恒星與行星系統的形成， 乃至生命的起源中都起着重要作用。作為固體，星際塵埃的表面為氫分子、其他簡單分子和導緻生命起源的複雜有機分子提供形成場所。星際塵埃不僅有利于星際中的氣體冷卻以形成下一代恒星，更可以說是行星以及生命形成的基礎“磚塊”。還有一些研究認為，星際塵埃是許多有機分子的宇宙飛船，生命就是通過星際塵埃傳播的。

除了直接影響銀河系的大部分物理過程外，星際塵埃還間接地影響了天文學的許多研究領域。由于星際塵埃會吸收和散射可見光與近紅外波段的光線，産生消光與紅化效應，所以星際塵埃會影響在這些頻率下進行的大多數觀測，依賴這些觀測的科學必須考慮去除星際塵埃的影響。所以在确定一個天體的真實亮度的時候，了解這個天體經過的塵埃數量是至關重要的。目前，天文學家們已經制作了一系列的星際塵埃分布圖，通過這些分布圖，我們可以确定天空中特定位置處的塵埃量，從而改正位于這個位置的恒星所受到的塵埃消光和紅化的影響。而我的工作之一就是制作精确可靠的星際塵埃分布圖，以方便天文學家更加精确地獲取到觀測天體的内禀性質，從而更加清晰地認識我們的宇宙。

銀河系的塵埃分布假想圖

知識點總結

1. 什麼是星際塵埃？

星際塵埃是存在于銀河系以及河外星系中恒星之間微小的固體顆粒，他們會對背景星光産生消光與紅化作用。

2. 研究星際塵埃的意義？

分為兩方面，一方面使我們更加深刻地理解星系演化、恒星與行星系統的形成， 乃至生命的起源的各類物理過程。另一方面使我們能夠更加精确地去除星際塵埃的消光以及紅化影響，更加清晰地了解我們的宇宙。

欄目簡介

知·道SET(Science,Education,Time)是一檔綜合科普欄目，内容包含天文、數學、物理、化學、地球、生命等學科，提供多視角，跨學科的科普内容，讓更多人提升對科學的認知和興趣。發現新知的同時，以科學的态度看懂身邊事。

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