[科普中國]-星際分子

簡介

星際分子指存在于星際空間的無機(jī)分子和有機(jī)分子。星際分子的發(fā)現(xiàn)，是20世紀(jì)60年代轟動天文學(xué)界的一件大事。長期以來，天文學(xué)家認(rèn)為，茫茫宇宙空間，除了恒星、恒星集團(tuán)、行星、星云之類的天體物質(zhì)，再沒有什么別的物質(zhì)了。直到20世紀(jì)初，人們還認(rèn)為星際空間是一片真空。后來終于發(fā)現(xiàn)，在星際空間充滿了各種微小的星際塵埃、稀薄的星際氣體、各種宇宙射線以及粒子流。60年代在星際空間發(fā)現(xiàn)了大量有機(jī)分子云，云中含有各種復(fù)雜的有機(jī)分子。

解釋大多數(shù)星際分子是由它們的無線電波段發(fā)射出的特征射線探測出的，也有通過可見光、紅外、紫外波段光譜特征觀察到的。迄今已發(fā)現(xiàn)50余種星際分子，其中大多數(shù)是由碳、氫、氧、氮組成的有機(jī)分子，每種分子往往不止有一條譜線，并且有幾個到上百個數(shù)目不等的源區(qū)。它們分布在星際空間不同物理?xiàng)l件的各個區(qū)域，有些則集中于星際分子云甚至更小的源區(qū)。1

分布在銀河中心區(qū)域有，在獵戶座大星云和其他區(qū)域也有。此后，人們在宇宙太空中又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了更多的星際分子，其中有無機(jī)分子，也有有機(jī)分子。例如，羥基、一氧化碳、一硫化氮、氰化氫、甲醇、乙醛、丙炔腈、甲胺等等。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的星際分子有50多種。

研究歷史星際分子的檢測星際分子的研究最開始是由從事天體化學(xué)研究的天文學(xué)家進(jìn)行的。天體化學(xué)主要研究星際和星周分子的形成和行為，由此探索星球的演化規(guī)律。第一類星際分子CH是由Swings和Rosenfeld在1937年根據(jù)光譜分析而推斷出的。之后的二十多年，由于觀測手段的缺乏，科學(xué)家們只確定了兩種星際分子CN和CH+。這種緩慢的進(jìn)展直到20世紀(jì)60年代以后由于射電天文學(xué)的發(fā)展才有所改觀。

從1963年應(yīng)用射電天文方法檢測星際分子獲得成功以來，星際分子的研究有了很大的進(jìn)展。特別是Last decade，又在星際空間和鄰近的河外星系中，陸續(xù)找到了許多種分子。到1979年底已經(jīng)證認(rèn)出的星際分子超過50種，到2004年為止，則已經(jīng)超過了130余種。每種分子往往有幾個以至上百個源，這些分子源分布在星際空間中物理?xiàng)l件不同的各個區(qū)域，如銀心、電離氫區(qū)和中性氫區(qū)、星周物質(zhì)、暗星云、超新星遺跡和紅外星的附近等。有些分子（如一氧化碳）分布很廣，可用來研究銀河系和其他星系的旋臂結(jié)構(gòu)；但也有一些分子只在非常致密的星云中才能找到。位于電離氫區(qū)的著名的獵戶座A星云是研究得最詳細(xì)的分子源之一,從中發(fā)現(xiàn)多種分子。在銀心方向的人馬座A和人馬座 B2兩星云是更豐富的分子源，從中幾乎能找到所有已發(fā)現(xiàn)的星際分子。

星際分子的種類已發(fā)現(xiàn)的星際分子中，大部分是有機(jī)分子。還有一些是地球上沒有的天然樣品，甚至在實(shí)驗(yàn)室中也很難穩(wěn)定存在的分子。

星際分子的形成關(guān)于星際分子的形成過程及其化學(xué)演化還不十分清楚，有由電離的原子（分子）碰撞形成和靠氣體云中的塵粒幫助形成等說法。弄清這許多分子特別是有機(jī)分子的形成過程，以及它們同地球上生命起源的關(guān)系，是天文學(xué)的一個新的分支——星際化學(xué)的重要課題2。

成果天文觀測還發(fā)現(xiàn)了不少星際分子的同位素分子。這是一種了解同位素豐度比的重要方法。多數(shù)分子不止看到一條譜線。有些星際分子的微波譜線在地球條件下也不易出現(xiàn)，這和天文光譜學(xué)的情形是相似的。十多年來星際分子的觀測工作已得到豐富的數(shù)據(jù)。 觀際分子的主要工具是射電望遠(yuǎn)鏡，絕大多數(shù)星際分子是靠分米至毫米波段的星際分子射電譜線發(fā)現(xiàn)的。也有少數(shù)分子只觀測到它們的可見光和紫外、紅外波段的譜線?？臻g天文學(xué)的發(fā)展突破了大氣窗口的限制，我們能夠觀測到由于強(qiáng)烈的大氣吸收而在地面無法觀測到的紅外、紫外等波段的譜線。微波波段的分子譜線尤其適宜于研究致密的、溫度很低的、不透明的星際云。通過譜線觀測可以了解星云在其各個發(fā)展階段中的許多物理、化學(xué)特性，諸如星云的成分、形狀、密度、溫度、速度、運(yùn)動狀況和同位素豐度比等。

意義我們知道，構(gòu)成生命的基礎(chǔ)——蛋白質(zhì)的主要成分是氨基酸分子。它是一種有機(jī)分子，盡管人們還沒有在宇宙太空中直接觀測到氨基酸分子，但是，科學(xué)家在地面實(shí)驗(yàn)室里用氫、水、氧、甲烷及甲醛等有機(jī)物，模擬太空的自然條件，已合成幾種氨基酸。而合成氨基酸所用的原材料，在星際分子云中大量存在。不難想象，宇宙空間也一定存在氨基酸的分子，只要有適當(dāng)?shù)沫h(huán)境，它們就有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)，進(jìn)一步發(fā)展成為有機(jī)生命。據(jù)此推測，地球以外的其他星球存在生命物質(zhì)，甚至可能是有高等智慧的生命物質(zhì)。星際分子研究對天體演化學(xué)（如巨大的星云坍縮成為恒星或星團(tuán)的過程和正在“死亡”的星向星際空間拋射物質(zhì)的過程）、銀河系結(jié)構(gòu)、宇宙化學(xué)等學(xué)科都有重要意義。

謎團(tuán)科學(xué)家感到困惑的是，有些星際分子竟是地球環(huán)境中找不到的，甚至在實(shí)驗(yàn)室中也無法得到。這些地球上的尚不存在的星際分子，在太空中起什么作用，有些什么物理化學(xué)特性，這些問題都還是一個謎。

最新報(bào)道有著枝狀脊骨的星際分子

天文學(xué)家在靠近銀心的氣體云中探測到了異丙腈。

宇宙中存在大量的有機(jī)分子?？茖W(xué)現(xiàn)在在一片名為人馬B2的巨分子云中發(fā)現(xiàn)了一種名為異丙腈（i-C3H7CN）的分子。這片氣體云是銀河系中心附近一處活動劇烈的產(chǎn)星區(qū)。異丙腈分子中枝狀的碳原子與迄今在星際空間發(fā)現(xiàn)的其他任何分子都不相同。這一發(fā)現(xiàn)開拓了產(chǎn)星區(qū)化學(xué)的新前沿，并暗示了氨基酸的存在。在氨基酸分子中這樣的枝狀結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵特征。

雖然人們已經(jīng)在宇宙中發(fā)現(xiàn)了不同的分子，不過對于地球生命來說最重要的成分——富含氫元素的含碳分子（也就是有機(jī)分子）在形成新恒星的氣體云中含量最大。相關(guān)研究論文的第一作者、來自馬普射電天文所的阿瑙德·貝洛什（Arnaud Belloche）說：“要了解從簡單分子逐漸演變?yōu)榭赡苄纬缮幕瘜W(xué)物質(zhì)的過程，關(guān)鍵是要知道恒星形成過程早期有機(jī)物的形成?！?/p>

在星際空間中搜索分子的工作始于20世紀(jì)60年代，到現(xiàn)在為止，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約180種分子。每種分子都會發(fā)出特定波長特定形態(tài)的輻射（也就是光譜），這就好像是指紋一般，可以讓人們使用射電望遠(yuǎn)鏡在宇宙中找到它們3。