互动科普

漂浮在星际空间的微小尘粒从根本上改变了银河系的历史。

 随便找一个晴朗的在晚仰望天空，你都会看到银河中有一些暗黑的区域(银河就是银河系中数十亿颗恒星产生的一条模糊光带)。18世纪的英国天文学家威廉·赫谢尔爵士认为这些区域是货真价实的“天洞”，也就是天空中完全没有任何东西的空间。20世纪切期，天文学家们发现，这些暗黑巨大的尘埃云、它们挡住了真后面的恒星发出的宇宙的尘埃颗粒非常微小、不用你用扫帚扫去的灰尘颗粒。然而，这样一些渺小的尘埃却对银河系的进化以及整个宇宙中恒星的形成产生了巨大的影响。

20世纪50年代之前、天文学家们一直认为这些尘埃是令人讨厌的东西，因为它们挡住了天文学家的视钱，使真看不到遥远的恒星。但是，近几年来、研究人员对于星际尘粒给予了很大的关注、利用地面和空间望远销测量了它们的分布以及化学成分。大量的新资料使研究人员有可能建立一个关于这些星尘如何演化的较为可信的假说。我与我以前的学生AigenLI(现在在普林斯顿大学从事博士后研究)提出了一个我们称之为“统一尘埃模型”的理论。虽然其它研究人员拥护另外一些理论，但我们坚信我们的模型为新的观测资料提供了最好的解释。

 在银河系内，尘埃云集中分布在银道面上，特别是沿银河系旋臂的内侧边缘。这些区域看来特别不均匀有许多密集的星团穿插在尘埃云中。由于尘埃云的遮挡，恒星发出蓝光和紫外光的强度比红光和红外光的强度弱得多。因此，当天文学家透过尘埃观测恒星时，恒星总是显得比其实际上的颜色更红。类似地，太阳在接近地平线时显得较红，也是因为地球大气中的灰尘和气体对光的散射作用。

 最大的星际尘粒的大小其实就相当于烟民们吐出的烟雾中微粒的大小。星际尘埃的消光曲线(即描述每一波长上光强度衰减情况的曲线)表明，必定存在着三种类型的尘粒[见下页图]。阻断可见光的尘粒是宽近O.2微米长0．4微米左右的扁长尘粒；这类尘粒占了星际尘埃总质量的80％左右。每颗尘粒部有个石质核心、核心周围包有一层有机物质和冰衰减曲线的紫外光部分有一个隆起。它表明星际尘埃中存在着一些较小的微粒(其直径约为0.005微米)这部分微粒占了尘埃总质量的1O％。它们极有可能是无定形的碳质固体，或许含有一定量的氢，但却几乎不含或完全不含氪和氧，还有一种更小的微粒(直径只有0002微米)阻断了远紫外波段的光。这些微粒占据了其余10%的尘埃总质量、研究人员认为主怕是与汽车尾气中排出的多环芳香烃(PAH)相似的大分子。

 由于尘埃远离恒星，因此它们非常之冷，可低至－268oC，即仅比绝对零度高5度。20世纪40年代，杰出的荷兰丰天文家HenkvandeHu1st(他是我亲密的朋友与导师)就推测，一部分已知存在于星际空间的原子(包括氢、氧、碳和氮等)将粘附在尘埃的寒冷表面上，形成由冻结的水、甲烷和氨构成的外壳。后来我把这一理论称为"脏冰"模型。

 然而，直到20世纪70年代初天文学家们才发现了上述理论的有力证据。在研究穿过星际尘埃云的恒星光的红外光谱时，研究人员探测到硅酸盐的特征吸收谱结(硅酸盐是硅、镁和铁的化合物)。硅酸盐构成尘粒的石质核心。也差不多就在同一时候，科学家们也观测到了冰冻水在红外谱区的吸收谱钱。随后的观测表明还存在着一氧化碳，二氧化碳、甲醛以及其它多种化合物。这些物质被归入“挥发物”一类。也就是说，它们在与冷尘粒接触时就冻结在其上、而一旦尘埃变热时它们就蒸发掉。而尘粒核心中的物质则称为“难熔物质”，它们在高温下仍然保持固态。

 星际尘埃占了银河系总质量的千分之一左右，它的质量可能比银河系所有的行星的总质量大几百倍。尘粒的分布非常稀疏，平均说来、在一百万立方米的空间中只存在一颗尘粒。但由于星光要穿越几千光年厚的尘埃、因此即使这样稀薄的分布也能有效地使辐射减弱。这样就出现了下面的问题:银河系如何有这么多尘埃?

 从尘埃到尘埃

 宇宙的初期(大约150亿年前)并不存在尘埃。同其它所有早期星系一样，银河系的成分仅有氢、氦和在大爆炸中产生的少量其它轻元素。在这个时期中、只有质量极大的氢和氦云能够通过收缩形成恒星。这是因为，为了克服气体的热力学运动所产生的压力，需要非常巨大的引力吸收作用因而、银河系中巨大的0型星与B型星占了统治地位。这些恒星在诞生后仅几百万年便发生超新星爆炸最初的尘埃就是由这超新星产生的。天文学家们使用在亚毫米波段上工作的远红外望远镜观测早期星系时，发现了这一事实的证据。但是这些尘埃在星际介质中存在的时间并不长久。它们刚刚产生没有多长时间，随后的超新星爆炸发出的激波就把它们摧毁了。

 不过，大约50亿午后，超新星爆炸的风暴逐渐平息下来，那些质量不算太大的恒星开始进入其生命历程的红巨星阶段。随着这类恒星的逐渐冷却与膨胀、石质硅酸盐微粒在恒星的大气中形成并被吹人星际空问中。部分硅酸盐颗粒进入了始终在恒星间运动的分子气体云在分子气体云内部的低温下．每一个与硅酸盐颗粒相遇的原子或分子都立即冻结在其表面上。就像水蒸汽在遇到冰冷的玻璃窗后就立即冻结在其上一样：这样、每个硅酸盐核心上就生长出一个冰质层。

 随着尘埃逐渐集中在分子云内，分子云内的尘粒密度便比分子云外的尘粒密度高出数万倍。最后尘埃厚得足以挡住几乎所有的辐射，使之不能进入分子云、从而导致气体的温度进一步下降。由于分子比以前更冷，因此克服气体压力所需要的质量也没有以前那样大了。这样，较小的气体云也能够收缩而较小的恒星(如我们的太阳)就得以诞生了。尘埃的存在放松了对恒星形成的限制，从而根本地改变了银河系的构成。

 而且，银河系的尘埃正在不断地再循环。当一团密集的气体与尘埃云通过收缩形成一颗恒星后、最靠近恒星形成区域的尘粒便蒸发了(这些尘粒的硅和其它元素要么成为恒星的一部分，要么后来凝聚成石质行星和小行星)但是绝大多数尘埃被吹入了弥漫气体云中(弥漫气体云是气体密度小得多的空间区域)。在这种更恶劣的环境中，尘粒的冰质外层不但停止生长，而且还能被紫外辐射、粒子碰撞和超新星激波破坏或腐蚀掉。但是尘粒并不会被弄到只剩下硅酸盐核心的地步。在冰质外层的下面还有一个由复杂有机化台物构成的内层。

 30年前我提出了粒中存在这种有机内层的看法。因为我认定单靠硅酸盐无法解释弥漫在云中尘埃所造成的光的衰减量。我推测尘粒上的这个富碳物质层是由冰质层内的化学反应产生的，而这些化学反应始于尘粒仍然任密集的分气体云内之时。根据我的理论，当高能紫外光f撞击到冰质层上时，它们就把水、甲烷和氨分子分解成游离基，而这些游离基随后又重新结合，形成甲醛之类的有机分子持续不断的紫外辐射最终产生了更复杂的化合物，称为第一代有机物。即使在尘粒离开分子云，而冰质层遭到了破坏之后．这些有机物的残余仍留在硅酸盐核心上。事实上，这个有机层有助于保护硅酸盐核心不受超新星激波的破坏，使尘粒得以保存下来，直到它再次回到另一团密集气体云的屏蔽下。

 黄色物与褐色物

 为了检验这一理论，我开始实验室里进行一些模拟冰质层所面临的条件的实验。这项工作于I970年在纽约州大学奥尔巴尼分校开始．并于I975年在荷兰莱顿大学继续进行。我们的研究小组让各种各样的冰质混合物在263℃的温度下接受紫外光的照射，然后加热这些混台物。其结果是得到一种黄色的残渣，我们给它取了一个还算适当的名字，即“黄色物”。这些残液中含有甘油、甘油酰胺、几种氨基酶(包括甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸)以及其他它多种复杂的分子。

 大约就在同一时候、天文学家们通过测量星光在穿过弥漫云时的吸收光谱、探测到了弥漫云的尘埃中存在复杂的有机化合物的证据。我们的实验结果并没有完全重现红外光谱区中的吸收谱线，但这一差异并不应使我们感到意外。在弥漫云的暴露环境中，尘粒接受的紫外辐射要比它们在分子云中接受的紫外辐射强一万倍。这一辐射把尘粒内层中的物质转变为第二代有机物。额外的紫外辐射作用相似实验室中是难于模拟的。

 幸运的是，机遇找上门来了，20世纪 80年代后期，德国空间局(DLR)的GerdaHorneck邀请我们使用一个名为“外太空生物学辐射装置”的卫星平台。它原先设计的用途是让生物样品接受长期的紫外辐射，同时，它也非常适合于对我们的“黄色物”进行紫外辐射处理。我们的研究小组(包括Menno de 1ennodeGroot、CeliaMendoza-Gomez、Willem Sclrutle及Peter Weber等人)准备了一些有杂质，装在“欧洲可回收载运器” (ECRECA)卫星上送入轨道。而这个卫星则是在1992年由航天飞机携载上天的。

 一年以后(但我们的样品真正接受太阳紫外光照射的时间只有四个月)、航天飞机收回了这颗卫星、试样交回了我们手中。样品送上天时是黄色的、而返回时却变成了褐色。颜色的变化表明、样品中碳的含量更丰富了。当我们用红外分光仪检查这一“褐色物”时、我们探测到的吸收谱钱与研究人员对星际尘埃进行红外观察时探测到的吸收谱结完全相同。虽然我们的样品遭受的紫外辐射量仅相当于尘埃在弥漫云中遭受的最大萦外辐射量的十分之一，但它仍然与宇宙尘埃中的有机难熔物质非常相似。

 这些实验为我和AigenLi建立的统一尘埃模型奠定了基础。该理论推测，由于紫外辐射对较大的核心－外层尘粒中的有机分子的作用，产生了两类较小的星际尘埃、即无定形碳质微粒以及类似于多环芳香怪的分子，我们把"褐色物"样品送到斯坦福大学SebGillette那里，请他用该校化学家RichardZare开发的高级质谱分析术对其进行分析。结果Gillette发现、样品中含有极其丰富的多环芳香烃。统一尘埃模型认为，核心一外层尘粒中生的化学作用可以解释星际尘埃中几乎所有的微小碳质颗粒金和类多环香烃分子：在弥漫气体云中、当超新星激波破坏了较大的尘粒时，这些微小的颗粒就从尘粒的有机外层上脱落（见40页图）。每一个核心-外层尘粒可以产生一大堆微小颗粒、多达数十万个。

 最终整团的尘埃被密集的分子捕获：在分子云内部，尘粒与气体原子和分子之间的碰撞变得更加频繁。过大约一百万年后较大的尘粒积起一个冰质外层、其成分以冻结水、一氧化碳为主。对恒星周围非常密集的云中的尘埃进行观测后发现，的确存在着这些化合物以及其它一些数量较少的化合物，如二氧化碳、甲醛和氨等。虽然没有任何人直接观测到分子中的碳质微粒以及类多环芳香烃所发生的情况，但这些微粒和分子也必定也会积聚在较大的尘粒上并被吸收进冰质层中。然后，这些有机分子将经受紫外辐射的再次作用，整个循环重新开始。

 其它科学家提出了另外一些模型，这些模型不需要假定较大尘粒上存在有机外层就可以解释星际尘埃的衰减作用。例如，威斯康星大学麦迪逊分校的John S.Mathis也推测，较大的尘粒是微小的石墨和硅酸盐颗粒的疏散聚合，但是这些模型无法恰当地解释星际尘埃的另外一种作用:它如何使穿越尘埃的光发生偏振(也就是使电磁波的振荡集中在一个特定的方向上)，我们知道、微粒解释这一现象，每一个较大尘粒的形状都必须大致呈圆柱形或扁球形状并绕其短轴旋转，就像一根迅速转动的短棍。此外，我们还知道，为了使光发生偏振，所有尘性的旋转轴都必须指向同一个方向(据信尘埃云中的磁场将使所有尘粒旋转轴的方向趋于一致)统一尘埃模型的一个独特成就在于，它所推测的核心一外层颗粒能够解释所有波长上观测到的偏振现象。

 从尘埃到彗星

 彗星据信是原始太阳星云最古老的“遗物”了(原始太阳星云就是诞生了我们自己的太阳系的那团气体尘埃云)。随着天文学家们对于彗星和星际尘埃的化学组成获得越来越多的新发现，他们开始相信彗星最初是通过尘粒聚集成团而形成的。因此有理由认为，对彗星的观测能够使我们对尘埃有更多的了解。

 当行星与彗星同太阳一起在大约46亿年前诞生时，原始太阳星云中的核心一外层尘粒极有可能吸收了所有较小的碳质微粒和类多环芳香烃分子、还有气体中的一氧化碳以及其它挥发物。只有氢和氦仍保持游离状志。尘粒频繁地互相碰撞，形成一大而松散结合的团聚体。现在流行的看法是这“蓬松的”星际尘粒团演化成彗星的核。每个彗核都是非常疏松多孔的，也就是说它们内部很大一部分体积空空如也。我自己提出的一个模型显示、彗核中的一小团含有约1百个平均大小的原始太阳尘粒。它们聚集成3微米宽的一团，其中80％的体积是空的。

 彗星从诞生之时起，就一直在奥尔特云和Kuiper带这两个区域中绕太阳运行。它们到太阳的距离远远超过了行星的轨道。不过、偶尔引力就会使彗星脱离其原有轨道，进入距太阳较近的轨道。1986年，“乔托号”以及“维加1号”和“维加2号”探测器从哈雷彗星旁边掠过(这颗彗星每隔76年接近太阳一次)，从而使我们对彗里的认识有了突飞猛进的发展。这三艘空间飞船都携带了分光仪以测定哈雷彗星彗发的粒子的质量及化学成分(彗发是围绕着彗核的一团气体与尘埃云)，尘粒以每秒80千米的速度撞击在探测器上、粉碎成其原子般大小的组分。分光仪的探测表明，尘粒的质量分布在一个宽广的范围上、包括单个核心-外层尘粒的预期质最(10-14克)以及更小的碳质微粒的典型质量(lO-18克)。

 德国加尔兴市马克斯·普朗克地外物理学研究所的Jochen Kissel，达姆士郎塔市Krueger研究所的FranzR.Krueger以及明斯特大学的ElmarK.Jessburger随后证实，来自哈雷彗星的尘埃就是由具有硅酸盐核心和有机准熔外层的微粒的团聚体构成的、恰如我关于彗星起源的理论所预测的那样，他们的结论依据的是这样一个事实;来自有机外层的氧、碳和氮原子对空间飞船探测器的撞击刚好发生在来自核心的硅、镁和铁原子的撞击之前。

 哈雷彗星和真它彗星所包含的尘埃有多老呢?我们知道，当尘埃聚集成团形成彗星时，它已经存在大约50亿年了，因为一颗尘粒平均要在星际空间中呆上50亿年左在后才会参与恒星的形成过程，而彗星本身的寿命也有46亿年。这样，尘粒的起源可能就要追溯到将近l百亿年以前了。因此分析彗星物质有助于我们了解银河系早期的情况。

 彗星的尘埃也可能对地球生命的起源起到了某种作用。每一个松散的彗星尘埃团不仅含有有机物质，而且，一旦浸入水中后，尘埃团的结构也非常有利于化学演化过程，Kissel和Krueger己证明，小分子很容易从外面进入尘埃团中，而大分子则一直呆在尘埃团内，这样一种结构可以促使越来越大、越来越复杂的分子不断产生出来，或许起着一种微型孵化器的作用，培育出地球上最初的原始生命形式。一顿彗星可能把多达1025个这类“种子”撒布在年轻的地球上。

 美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)正在实施的一些项目将揭示有关彗星和星际尘埃本性的更多奥秘。NASAl999年发射的“星尘”飞行器将在2004年与Wild-2彗星会合、并带回从该彗星的彗发上取得的尘粒样品。在飞往这颗彗星的途中，该探测器还将收集穿过太阳系的星际尘埃的样品。欧洲空间局的Rosetta项目则是一个更为宏伟的计划。Rosetta探测器定于2003年发射，它将进入绕Wirtanen彗星的彗核运行的轨道，并发射一个探测器在这个疏松天体的表面上着陆。着陆器上安装的多种科学仪器，将对该彗星的物理结构和化学成分进行详尽的分析。我的研究小组也将参加这个项目，我们承担的任务是制备实验室的有机物质样品，以便与在Wirtanen彗单的慧核和尘埃中观测到的有机物质进行比较。

 毫无疑问，这些空间探测项目将开辟新的研究路途。天文学家们不再把星际尘埃看成是令人讨厌的东西。相反．它现在成了我们了解恒星、行星和彗星起源的重要信息来源之一．而且它甚至可能包含着生命本身的起源线索。