第311章 星际物质（1/2）

星际物质（interster medium, ism）——宇宙的“原材料工厂”

1. 基本概念

星际物质（ism）是填充恒星之间空间的气体、尘埃、等离子体和宇宙射线的混合物，是恒星、行星和生命诞生的“原材料库”。

关键数据：

占银河系总质量的1015%（其余为恒星和暗物质）

平均密度：0.11个原子\/cm3（实验室真空的1万亿倍稀薄）

温度范围：几k（冷分子云）~数百万k（热电离气体）

2. 组成成分

成分 占比 特性

原子气体（hi） ~70% 中性氢（h1）、氦（he）等

分子气体（h?） ~28% 主要存在于冷分子云（如co示踪）

星际尘埃 ~1% 硅酸盐、碳颗粒（纳米级），散射蓝光（致星际红化）

电离气体（h2） 少量 高温等离子体（如恒星周围）

宇宙射线 微量 高能粒子（接近光速）

原子气体：

1. 基本特性

原子气体是未电离、未结合成分子的单一原子状态物质，主要成分是氢（h）和氦（he），占星际物质总量的约70%。

主要成分：

中性氢（h1）：占原子气体90%以上，通过21 cm射电辐射被探测

氦（he）：约占8%，难以直接观测（需紫外光谱）

痕量金属：如碳（c）、氧（o）、硅（si）等（丰度＜0.1%）

物理状态：

温度：10 k（冷中性介质）~10? k（暖中性介质）

密度：0.1~100原子\/cm3（比地球实验室真空还稀薄）

分子气体：

1. 基本特性

分子气体是星际物质中由分子（主要是h?）组成的冷致密区域，占星际物质总质量的**~28%，是恒星形成的直接原料**。

主要成分：

分子氢（h?）：占比99%以上（但极难直接观测）

示踪分子：co（最常用）、h?o、nh?、等（已探测到200+种）

星际尘埃：与气体混合（尘埃\/气体质量比≈1%）

物理参数：

温度：10-50 k（接近宇宙背景辐射温度）

密度：102-10? 分子\/cm3（比原子气体高100-100万倍）

质量：单个分子云可达10?-10? m☉（太阳质量）

分子云的类型与结构

（1）巨分子云（gmc）

尺度：50-300光年

质量：10?-10? m☉

寿命：约3000万年

典型代表：猎户座分子云（距离1344光年）

（2）暗分子云（bok globule）

尺度：＜1光年

质量：10-100 m☉

特征：高密度（10?\/cm3），孤立坍缩形成小质量恒星

星际尘埃：

1. 基本特性

星际尘埃是星际物质中固态微小颗粒（0.01-1 μm），仅占ism质量的1%，却对宇宙演化有超乎比例的影响。

成分：

硅酸盐（mgsio?、mg?sio?）——类似地球沙粒

碳质颗粒（石墨、无定形碳、多环芳烃pahs）

冰包层（h?o、co、ch?oh，存在于冷分子云中）

物理参数：

温度：10-100 k（冷尘埃）至数百k（恒星附近）

密度：每立方千米仅含几粒（但遮挡能力极强）

2.星际尘埃的三大核心作用

（1）光的操控者

消光（extinction）：

短波（蓝光）被散射更强烈 → 恒星看起来更红（星际红化）

定量描述：a_v（v波段消光），银河系平均1.8等\/千秒差距

偏振（prization）：

非球形尘埃沿磁场排列 → 星光产生偏振（揭示磁场方向）

（2）分子形成的催化剂

表面反应：

尘埃表面吸附h原子 → 形成h?（气相中几乎不可能）

冰层中合成复杂有机分子（如甲醇、甲醛）

（3）恒星与行星的种子

原行星盘的基础：

尘埃碰撞黏附 → 千米级星子 → 行星（地球45%物质源自星际尘埃）

电离气体：

1. 基本特性

电离气体是氢原子被电离（h→h?）的高温区域，占星际物质约0.1-1%，但主导可见光波段的星际辐射。

物理参数：

温度：5,000-20,000 k（比分子云高1000倍）

密度：10-10? 离子\/cm3（从稀薄h2区到超致密星云）

电离源：o\/b型恒星（紫外光子）、超新星激波、活动星系核

化学组成：

氢离子（h?）占90%以上

氦离子（he?）、二次电离元素（o??、n?）

自由电子（维持电中性）

2. h2区的形成与结构

（1）电离前沿（ionization front）

当恒星紫外光子（λ＜91.2 nm）到达中性氢区时：

光子电离h原子 → 形成锐利边界（斯特龙根球）

平衡条件：电离速率=复合速率

（2）典型结构

graph lr

恒星 --＞|uv光子| 电离区[h2区]

电离区 --＞ 边界[电离前沿]

边界 --＞ 中性区[h1区]

斯特龙根半径公式：

[

r_s = \\left( \\frac{3q}{4\\pi n_e^2 \\alpha_b} \\right)^{1\/3}

]

( q )：恒星电离光子数\/s（o7星约10??\/s）

( n_e )：电子密度

( \\alpha_b )：复合系数（≈2.6x10?13 cm3\/s）

3. 观测特征与诊断工具

（1）发射线光谱

巴尔末线系：ha（656.3 nm，红色）、hβ（486.1 nm，蓝绿）

禁戒线：[o3]（500.7 nm）、[n2]（658.4 nm）

电子温度测定：