互动科普

纵观星际介质，到处可见庞大的炽热气体喷流和爆发恒星吹起的巨型气泡，其引人入胜之程度，远超出科学家们当初的设想。

我们通常都把月球看成是一个整体，但实际上月球是数以亿计相互隔离的小块聚集而成的。在月球上，只要迈一小步，你就可能从零下100摄氏度跨到零上100摄氏度；你如果冲你朋友的耳朵大叫大嚷，他会像聋子一样什么也听不见。月球上不存在大气来传输热量和声波，因此它的每个小块地方都俨如一片不能通航的汪洋大海中的一个孤岛。行星上的大气起着把其表面各处结合成一个统一整体的作用。有了大气，才会出现温度平稳变化之类的现象。更值得注意的是，有了大气，诸如小行星撞击、火山爆发以及工厂烟囱排放出气体之类的事件才能影响到与事件发生点相距甚远的地方。局部现象可以产生全球性的后果。现在大气的这一特点已经引起了研究银河系的天文学家的注意。

多年前我们就已知道，有一种称为“星际介质”的极其稀薄的大气包绕着银河系，充满了银河系内无数恒星之间的空间。直到最近的时候，这一星际介质都似乎只是一个冰冷的静态的气体贮池，不声不响地等待着它的最终命运——凝聚成恒星。当你仰望繁星满天的夜空时，几乎不会注意到它的存在。现在我们意识到，星际介质原来是一团剧烈湍动的混合物，其密度温度和离化程度千变万化，令人眼花缭乱。超新星爆发吹出巨大的气泡，银河系旋涡盘上方可能形成喷泉和烟囱式结构，而气体云则可能从旋涡盘外向内坍缩。这类过程以及其他一些过程把银河系内相距遥远的区域联系起来，正如大气现象把地球一侧的扰动传送到另一侧一样。

事实上，地面及空间的望远镜均发现，银河系大气之复杂，堪与任何一个行星的大气相媲美。星际介质受恒星及其他物质共同的引力作用所控制，其间充斥着星光、高能粒子及磁场等，因此连续不断地经历着搅动、加热、循环和转化等过程。同任何一种大气一样，星际介质的密度和力也是在其“底部”达到最高。而它的所谓底部就是银河系中部的平面，在这个平面上压力必定抵消来自“上面”的星系介质的重量。高密度的气体聚集区——云团——在中平面附近形成，而恒星就从密度最高的冷凝区中凝集出来。

当恒星耗尽其核燃料并寿终正寝时，那些其质量至少相当于太阳质量的恒星把它所含有的很大一部分物质抛回星际介质中。这样，随着星系年龄的增大，每一代恒星都向星际介质中加入重元素。就像地球上的水循环一样，凝聚之后必定有“蒸发”，因此星系中的物质可以反复地循环下去。

“悬而未决”的星际气体

把星际介质看作一种真正的大气，就使天体物理学中某些最紧迫的问题统一起来了。首要的一个问题是恒星的形成。虽然天文学家早在数十年前就已经了解恒星形成的基本原理，但至今尚未弄清究竟是哪些因素决定恒星何时从星际介质中凝集出来以及恒星形成的速率有多快。理论天文学家过去仅用孤立的气体云内的局部条件来解释恒星的生成；而现在他们开始考虑整个星系内的条件了。

这些条件不仅仅影响恒星的形成。反过来它们也会受到恒星形成的影响。某一代恒星的经历决定着其后各代恒星诞生、生存与消亡的环境。认识这一反馈过程——即恒星(特别是那些最热、最罕见、最重的恒星)如何支配着星际介质的大尺度特性——是天文学家面临的又一项重大挑战。反馈有正反馈和负反馈两种形式。一方面，大质量恒星可以加热星际介质并将其电离，使之从中平面向外膨胀。这一膨胀将使周围环境压力增大．从而压缩气体云团，甚至可能导致气体云坍缩成新一代恒星。但另一方面，加热和电离作用也可能扰动气体云，从而阻碍新一代恒星的形成。最大的恒星在爆炸时，甚至可能毁掉曾经是它们诞生摇篮的云团。事实上，这类负反馈作用或许可解释气体云通过引力坍缩而形成恒星的过程的效率为何如此之低——通常一团气体云所含的物质只有百分之几变成了恒星。

第二个难解之谜是恒星的形成往往具有突发性。有时可能很久都不见有几颗恒星形成，有时可能突然一下冒出大量新恒星。银河系中两种唱对台戏的反馈效应(即正反馈和负反馈)其作用几乎相互抵消，因此恒星的形成也是四平八稳不紧不慢的——平均每年仅有10来颗恒星诞生。然而在某些星系中(例如“爆炸星系”M82)，正反馈占了上风。发生于M82中心区域的恒星形成过程大约是在2000万到5000万年以前启动的，现在这一过程已开始如野马脱缰般加速进行，其恒星形成速率达到了以前的l0倍。银河系可能也曾经历过这种分散的突发性恒星形成过程。这类过程是如何发生的又因何种原因而终止，诸如此类的问题必定要涉及到恒星与它们从中凝聚出来的稀薄大气之间的复杂关系。

最后，天文学家对于这种大气活动消失得有多快也是众说纷纭意见不一。大多数恒星——即那些质量小于太阳的恒星，其寿命为几百亿乃至几千亿年——对反馈循环并没有什么影响。越来越多的星际气体逐渐进入了这些寿命极长的恒星中，再也不释放出来。这样，银河系中所有可用的气体最终可能全被耗尽，只剩下一些恒星。这样一种前景是否会很快发生，取决于银河系是不是一个闭合系统。最近的观测表明，银河系仍然是一个开放系统，不断地吐故纳新，同其周围的宇宙进行着物质的交换。一团团相对纯净的氢云看来正以较高的速度以星系际空间进入银河系，为银河系注入新的活力。与此同时．银河系可能也通过一种高速风的形式把气体从它的外大气层抛入星系际空间中，就像太阳通过风把它的物质抛入周围空间一样。

冷热两种流动的氢云

为了解决这些问题，研究星际介质的天文学家首先必须鉴定星际介质的多种成份。上世纪五六十年代天文学家根据明亮星云——如猎户座大星云——发射光谱，对星际介质的化学成份进行了分析，从而迈出了这项工作的第一步。按原子核的数量计，氢占了星际介质的90％，氦占10％左右，而所有其他元素——从锂到铀——所占比例则微乎其微，不过0．1％。由于氢在星际介质中占了绝对优势，因此星系大气的结构主要取决于氢呈现什么样的形式。早期的观测主要是对温度较低的中性成份具有很高的灵敏度。星际物质的主要标志物是天文学中最有名的谱线即中性氢原子所发射的1420兆赫（21厘米)谱线，天文学家把它记为HI。从上世纪50年代开始，射电天文学家逐步绘出了HI在银河系内的分布图。HI在银河系内呈团块状和丝状分布，其密度为每立方厘米10到100个原子，温度接近100开氏度，而这些团块和丝状结构则被另一种状态的氢包绕着，后者的分布更为弥散，密度更低(每立方厘米仅0.1个原子)，温度更高{数千开氏度)。大部分HI聚集在靠近银河中平面的区域，形成一个厚度为300秒差距(1000光年)的气体盘，大致相当于人们观看夜空中的银河时所看到的主恒星盘厚度的一半。

氢也可以呈分子形式(H2)，但直接探测分子氢是非常困难的。有关分子氢的大部分资料，多半是天文学家根据对一氧化碳这种痕量分子的高频射电观测结果而推断出来的。只要有一氧化碳存在，分子氢也应该存在。看来分子氢的存在区域局限于密度最大，温度最低的气体云团因为恒星光线无法穿透这些云团，从而使分子氢免于被恒星光线分解成组份原子。这些稠密云团是恒星形成的活跃区域，它们位于银河系大气最底下的一个薄层中（厚度约为100秒差距)。

直到最近天文学家都只有在一种场合下才直接观测到氢分子，也就是当氢分子被一颗近邻恒星的紫外辐射或它向外喷发出的粒子流所破坏时(也就是被转变成原子氢)。在这样的环境下氢分子(H2)发出波长为2．2微米的红外辐射。然而，过去几年中，天文学家利用绕轨道飞行的摄谱仪——一例如航天飞机携载的观测平台ORFEUS-SPAS以及新一代远紫外分光探测者卫星(FUSE)——在接近0．1微米的紫外波长上搜寻分子氢。这些仪器探测的是被遥远的恒星与类星体从后面照亮的氢，此时氢分子将在恒星与类星体的紫外光谱中留下其特有的吸收谱线。这一方法的优点是它能够探测到银河系那些远离恒星的平静区域中的分子氢。

美国威斯康星大学的Philip Richter领导的一个研究小组及德因图宾根大学的Wolfgang Gringel领导的另一个研究小组发现，分子氢不仅存在于它理所当然应该存在的地方——即银盘内的高密度气体云中——而且也存在于远在银盘以外的低密度空间区域中，这一点令天文学家普遍感到意外。为了保护分子氢免受恒星光线的影响，气体方的密度必须相当高。因此分子氢存在于低密度气体云中多少让人感到有点纳闷，或许从中平面延伸出来的冷气体云所达到的范围比天文学家原先预测的要远得多。

氢的第三种形式是等离子体氢，天文学家以前认为电离氢仅局限于几个孤立的小区域中，即明亮恒星附近的发光星云以及超新星爆发遗留下来的细长状残余物中。但探测技术的进展以及空间天文学的兴起改变了这一传统观点。现在天文学家已发现了银河系大气的两种新成份，即炽热(1开氏度)和温暖(10开氏度)电离氢(HⅡ)。

同最近探测到的氢分子一样，两种HⅡ相的氢分布的范围远远越出了冷的HI气体云层以外，形成了一个包绕着整个银河系的厚厚的气态“晕圈”。对于银河系大气的这些最外层部分，用“星际”来描述它似乎已不再合适了。较热的HⅡ相可能蔓延到中平面以外数千秒差距之远，其密度逐渐降低到每立方厘米10个离子。它与太阳那远远延伸的炽热大气相似，可以说就是银河系的“银冕”。同日冕的情况一-样，单是银冕的存在就意味着有一种非常规的能源在维持着它的高温。超新星发出的激波以及高速的恒星风看来在起着这种作用。与热等离子体并存的是温等离子体，它的能量是由极端紫外辐射提供的。这些广阔的等离子体层增大了中平面处的气体压力，从而给恒星的形成带来显著的影响。其它的星系看来也有这种银晕。例如，Chandra X射线卫星是近就观测到星系NGC4631的周围有一个晕圈（参看下页图示）。

“吹气泡”

在发现了这些新的、能量更高的星际介质成份之后，天文学家转而探讨这样一个问题，即这形形色色的星际介质成份具有什么样的特性，它们相互之间又存在什么样的关系。星际介质不仅仅通过恒星进行循环，它也会从H相变成HI相再变成HⅡ相，并从冷态变到热态然后再变回冷态。大质量恒星是目前已知的唯一一类其能量强大得足以产生上述所有活动的能源。德国Bochum大学的Ralf-Jurgen Dettmar所进行的一项研究发现，恒星质量高于平均值的星系，其大气似乎也延伸得更远，喷发得更强烈。星系内的恒星如何让其能量影响到整个星系现在还不大清楚，但是天文学家普遍倾向于认为热电离气体的产生起了这种作用。

热电离气体看来是由超新星爆发后撞入星际介质的高速激波(速度为每秒l00至200公里)所产生的。激波成球形向外膨胀，所到之处把星际介质席卷而去，最终形成一个直径达50至l00秒差距的空穴(具体的大小取决于气体的密度及环境介质的磁场强度)，好象是吹出了一个庞大无比的气泡。

与此同时．激波使一小部分离子和电子加速到接近光速。这些在太空中飞驰而过的粒子称为宇宙线，它们是恒星在寿终正寝之时通过正反馈与负反馈的过程影响恒星诞生的方式之一。宇宙线使星际介质的压力增大；而压力越大，密实的分子云就被压缩得越厉害，这些分子云就越有可能坍缩成恒星。此外，宇宙线还使一部分氢电离，从而促进了合成复杂分子的化学反应，其中有些分子就是我们所熟悉的生命的基本成份。但另一方面，离子会聚集到磁场线上，使磁场被限制在气体云内，从而降低了气体云坍缩恒星的速率。

如果炽热气泡的形成十分频繁，它们就有可能连成一片，得到一个庞大无比的泡沫状结构。这一想法是麦迪逊威斯康星大学的Barham Smith和Donald Cox在上世纪70年代最先提出的。几年后，加利福尼亚大学伯克利分校的Christopher F．Mckee以及普林斯顿大学的Jeremiah P. Ostriker提出，这种热相应该占据55％到75％的星际空间。温度较低的中性相则局限于这一大片热电离泡沫内的若干孤立的气体云团内。他们的这一构想实际上是把传统的看法颠倒过来了——此前天文学家一直认为，中性成份的气体占据了统治地位，而电离气体则局限于若干孤立的小尺度区域内。

最近的观测结果似乎也为天文学家把传统的看法颠倒过来助了一臂之力。例如，银河系的一个近邻星系一旋涡星系Mlol的圆形星系盘(其成份为原子氢气体)就有许多空洞，可能就是大质量恒星吹出的气泡。距离地球约70亿光年的另一个星系的星际介质，看起来也呈瑞士奶酪的形态。不过，关于炽热气体的数量及它对于星系大气有何影响等问题，现在依然是众说纷纭。

“烟囱”与“喷泉”

太阳本身看来正是位于一个炽热气泡内，而天文学家则通过高度电离的痕量离子(如氧离子)所发射的X射线探测到这个气泡的存在。这一炽热气体区被称为“本泡”(Local Bubble)，看来它是约l百万年以前爆发的一颗近邻超新星所产生的。

在猎户座和波江座的方向上，距离太阳约450秒差距的地方，天文学家发现了炽热气泡的一个更为精彩壮观的例子。这个气泡就是加利福尼亚大学伯克利分校Carl Heiles及其同事不久前进行的一项研究的对象。它被命名为“猎户一波江座气泡”(Orion-Eridanus Bubble)，是猎户库内的一个星团所形成的。该星团属于一类相当罕见的星团，即OB组合”(OBA association)，由温度最高、质量最大的O型恒星与B型恒星构成。这些恒星的质量为V太阳质量的20到60倍(太阳属G型恒星)，亮度为太阳的103到105倍。在过去的1000万年中，这些短寿命恒星陆续变成超新星，在一阵阵惊天动地的猛烈爆炸中烟消云散，所产生的激波横扫其周围的气体，使之形成一个围绕该气泡外部边界的壳状外层。在可见光区，该外壳呈现为一个由电离环状与丝状结构形成的暗淡的网眼针织物形状。充斥着气泡内部的高温气体——温度达100万开氏度——发射出弥漫性X射线。

纵观整个星团，恒星形成的风暴堪称铺天盖地，没有一丝减弱的迹象。恒星源源不断地从当初OB组合脱颖而出的那个巨大分子云中凝聚出来。其中最年轻的O型恒星之一猎户座θ’C星——正在使该云团的一小部分发生电离，从而成猎户座星云。然而，随着时间的推移，超新星和电离辐射将彻底扰乱该分子云，使它的分子分解。这样分子氢又将重新变成原子氢和电离氢，而恒星的形成也将随之终止。由于这一剧烈的转换过程将使星际介质的压力增大，因此该分子云的消亡可能意味着恒星在星系内其他地方形成。

星系内的气泡应当从星系的中平面轻快迅捷地向上升起，就向地球上的热空气团从受热的地面向上升起一样。数值计算——例如纽约市美国自然史博物馆的Mordecai—Mark MacLow及其同事不久前所作的数值计算——表明，气泡能够一直上升下去，进入星素的晕圈。其结果是形成一种“宇宙烟囱”靠近中平面的超新星爆发喷吐出的炽热气体就穿过这一烟囱而释放到星系的上层大气中。炽热气体在上层大气中变冷后又沉降回星系盘。在这种情况下，超气泡和烟囱就成了星系尺度的喷泉。

这样的喷泉有可能是炽热的星系冕乃至星系磁场的起源。法国一家天文台的所进行的计算表明，上升气流与星系盘的旋转二者结合在一起，就成了一台产生磁场的发电机，正如太阳与地球内部深处类似的运动产生出它们各自的磁场一样。

诚然，观测人员还没有证明星际介质的炽热成份具有这种到处弥漫、无孔不入的特性，也没有证明喷泉的存在。猎户座-波江座气泡从中平面向外延伸达400秒差距，而仙后座中一个类似的超级气泡也升起有230秒差距之高，但它们还需要扩张1千到2千秒差距才能到达星系的冕层。磁场以及温度较低、密度较大的电离气体有可能成为超级气泡的拦路虎，使其难于甚至完全无法伸入星系的晕圈，但这就产生一个问题：炽热的星系冕来自何方？现在人们尚不知道星系冕有其他任何一种令人信服的来源。

温等离子体之谜

与热等离子体相比，温等离子体(10开氏度)之深奥莫测也毫不逊色。事实上，根据天文学家对星际介质的传统认识，温等离子体的无处不在简直就是不可能的事情。按理这类气体本应被局限于非常小的空间区域内，也就是被紧紧包绕在超大质量恒星的发射星云内(如猎户座星云)。这类超大质量恒星仅占恒星总数的五百万分之一，而且星际气体(原子氢和分子氧)对它们发射出的光子基本上是不透明的。因此，星系的大部分区域不应受到这类恒星的影响。然而，实际上温等离子体却是长驱直入，散布到整个星际空中。最近进行的一项名为WHAM的巡天观测发现，温等离子体甚至蔓延到星系晕中，这个地方离最近的O型恒星都不知道有多么遥远了。类似地，电离气体在其他星系中的分布也是很广泛的。这个问题成了天大的不解之谜——电离辐射的光子如何能跑到距发射它们的恒星如此之远的地方呢？

气泡或许能为解答这个问题助一臂之力。如果超新星已经把大片大片的星际介质扫荡一空，那么电离光或许就能在穿越很长一段距离后才被中性氢所吸收。猎户座的OB组合提供了一个阐明这一过程如何发生的精彩实例。O型恒星位于早先的超新星爆发扫荡出的巨大空腔中。它们发射出的光子现在可以逍遥自在地穿越整个空腔，撞击在遥远的气泡壁上并使其变灼热。如果星系喷泉或烟囱的确延伸进了星系晕中，那么它们就不仅能够解释炽热的星系冕，而且能够解释温电离体为何无处不在。

WHAM项目新获得的一幅仙后座超级气泡的图像揭示了一条线索：在距中平面约1200秒差距处，一个温电离气体环像拱一般高高耸立在气泡上方。这个环状结构的轮廓与烟囱的形状依稀有点相似，只是它还没有闯入到银河系的外晕层中。为了产生这一巨大的结构，需要极多的能量，比形成这个超级气泡的星团中全部恒星所能提供的能量还要多。此外，产生这一结构所需要的时间也非常长，相当于该星团年龄的l0倍。因此，这个环状结构可能是通过若干代的努力而形成的，也就是我们今天观测到的这个星团诞生之前所出现的一系列突发性恒星形成过程的共同作用打造出了这个环状结构。每一次恒星的大量形成都为上一次恒星形成所产生的气泡注入新的活力并使其进一步膨胀。

循环复循环

为了使少数几个孤立区域中大质量恒星的形成能对星系的大片区域产生影响，恒星的形成看来需要在漫长的时期中通过某种方式协调起来。整个过程可能以一个巨大的气体分子云内的单颗O型恒星或一族O型恒星为开端。恒星发出的辐射恒星风以及恒星的爆炸在其周围的星际介质中形成一个中等大小的空腔。在这一过程中母体云团可能遭到破坏。这种扰动或许会触发邻近的一团气体云中的恒星形成，然后再波及到旁边的气体云，如此传递下去，直到星系的这一区域中的星际介质全都开始变得像瑞士奶酪那样。然后这些气泡就开始连成一片，聚集成一个超级气泡。越来越多的O型恒星所提供的能量源源不断地注入这个膨胀着的超级气泡中，直至其天然的浮力使它从中平面向着星系的晕延伸，形成一个烟囱。

现在超级气泡就成了一条通道，使内部的炽热气体通过它而扩散到星系大气的上层区域中，形成一个广阔的星系冕。由于已经远离了它的能源，星系冕中的气体慢慢开始冷却，并凝聚成云团。这些云团又落回到星系的中平面上，完成这种喷泉式的循环并向星系盘补充冷云团，而恒星的形成又可以在这些冷云团中重新开始。

虽然天文学家看来已经鉴定出了银河系大气的主要成份及其过程．但其细节仍然是不明朗的。天文学家仍将继续探索星际介质如何通过恒星进行循环，如何通过介质的不同相进行循环，以及如何在星系盘与星系晕之间进行循环，这些研究将使我们对细节的认识不断取得进展。对其它星系的观测使天文学家能够概略了解星际发生的过程。

某些关键的环节可能还是空白。例如，恒星真的是星际介质的主要动力源吗？仙后座超级气泡上方的环状结构看起来酷似太阳表面上空呈拱形的日珥，令人觉得很不舒服。这些日珥在很大程度上有赖于太阳大气中的磁场。那么，磁活动是不是可能也支配着银河系的大气呢？如果真是如此，那么把银河系大气比例恒星大气及行星大气之贴切，甚至超出我们的想象。

【邱汉生／译 曾少立／校】