劉聲遠(yuǎn) 劉安立

通過(guò)研究星際介質(zhì)中的物質(zhì)，科學(xué)家希望能更多了解——

恒星及星系形成

太空之所以被稱為“太空”，其實(shí)有一定的道理。恒星之間的區(qū)域真的很空——比地球上能創(chuàng)制的任何真空中的物質(zhì)密度都還低得多?？茖W(xué)家把這種區(qū)域稱為星際介質(zhì)。雖然星際介質(zhì)密度很低，但它被認(rèn)為占到了銀河系可見(jiàn)質(zhì)量的至少1096。恒星嵌在星際介質(zhì)中，但并未與星際介質(zhì)脫離開(kāi)，而且誕生于星際介質(zhì)內(nèi)部。從這個(gè)意義上說(shuō)，星際介質(zhì)就像一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。

通過(guò)記錄與恒星形成有關(guān)的獨(dú)特紫外光輻射（被稱為萊曼阿爾法輻射），“旅行者號(hào)”就能夠探索恒星誕生。迄今為止科學(xué)家一直未能在銀河系中觀測(cè)到這種輻射，原因是太陽(yáng)輻射把它們遮蔽了。既然“旅行者號(hào)”已來(lái)到日光層的邊緣，太陽(yáng)風(fēng)的影響在這里被星際介質(zhì)阻擋，那么“旅行者號(hào)”就應(yīng)該能探測(cè)到萊曼阿爾法輻射，從而有助于科學(xué)家繪制銀河系中此前未被觀測(cè)過(guò)的恒星形成區(qū)域圖。

在自己的一生中，恒星通過(guò)核聚變過(guò)程，把輕元素轉(zhuǎn)化為重元素。然后，隨著恒星死亡，它們把這些重元素發(fā)回到星際介質(zhì)中。這一物質(zhì)交換最終決定著星系用盡自己的氣體供給的快慢。通過(guò)探索這一永恒的回饋機(jī)制，科學(xué)家就能對(duì)恒星演化有更多了解。大質(zhì)量恒星的死亡為星系輸入大量元素，例如碳、氧和鐵。隨著時(shí)間推移，這會(huì)改變這些元素的豐富程度。隨著這樣的輸入持續(xù)，恒星發(fā)射富碳分子和塵埃顆粒的比例會(huì)下降?？紤]到人類是碳基生命形式，這個(gè)比例的下降也就意味著適合像人類這樣的生命的材料逐步減少。

超新星爆發(fā)情景（想象圖）

“旅行者2號(hào)”已經(jīng)在對(duì)超新星的研究中建功。所謂超新星，就是恒星在到達(dá)生命末期時(shí)的爆發(fā)。當(dāng)位于蜘蛛星云、距離地球大約16.3萬(wàn)光年的SN1987A超新星在1987年爆發(fā)時(shí)，“旅行者2號(hào)”立即調(diào)轉(zhuǎn)鏡頭對(duì)它進(jìn)行了較近距離觀測(cè)。從那以后，進(jìn)一步觀測(cè)證明該區(qū)域持續(xù)演化。不僅恒星拋射出的材料膨脹后又冷卻，塵埃和分子質(zhì)量也非常顯著地增長(zhǎng)。換句話說(shuō)，這就觀測(cè)到了死亡恒星為星系輸入物質(zhì)的過(guò)程。

通過(guò)研究恒星怎樣從星際介質(zhì)中形成，科學(xué)家就能了解太陽(yáng)和太陽(yáng)系相比于宇宙中其他恒星系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是否常見(jiàn)。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)系在宇宙中實(shí)際上很不尋常。這就暗示，外星生命（至少是像地球生命這樣的生命）并非如科學(xué)家之前想象的可能那么常見(jiàn)。不僅如此，科學(xué)家有關(guān)大質(zhì)量恒星與非大質(zhì)量恒星之間的平衡的觀點(diǎn)也發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

阿塔卡瑪大型毫米天線陣

最近一系列觀測(cè)表明，星際介質(zhì)中低質(zhì)量天體的數(shù)量很多。銀河系中不僅有好幾千億顆恒星，而且有數(shù)量幾乎一樣多的褐矮星（比行星大、但比恒星小的一類天體）和行星質(zhì)量天體。

隨著兩艘“旅行者號(hào)”迅速接近生命終點(diǎn)，科學(xué)家也把目光轉(zhuǎn)向新的“阿塔卡馬大型毫米天線陣”（位于智利極干燥沙漠中、由66部射電拋物面天線組成）。有了這個(gè)天線陣，科學(xué)家得以首次觀測(cè)星際介質(zhì)的細(xì)節(jié)。

它是宇宙中最令人難以捉摸的現(xiàn)象。飛到太陽(yáng)系以外，我們能了解到它的什么情況？它就是——

暗物質(zhì)

看起來(lái)，恒星之間存在的物質(zhì)并不僅僅是氣體和塵埃。要想解釋將迅速旋轉(zhuǎn)的銀河系把持住所需的引力，如果只有可見(jiàn)物質(zhì)的話是根本不夠的。因此，應(yīng)該有一些看不見(jiàn)的物質(zhì)——暗物質(zhì)潛伏在我們周圍，包括星際空間。

來(lái)自于天體的放射性輻射，可能有助于科學(xué)家探索暗物質(zhì)。

科學(xué)家原本以為，暗物質(zhì)可能只是普通物質(zhì)，但因?yàn)樗鼈兲?，所以我們看不?jiàn)。這樣的普通物質(zhì)包括褐矮星、迷走行星和太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。這些天體被統(tǒng)稱為馬肖（MACH0s，暈族大質(zhì)量致密天體的英文簡(jiǎn)稱）。然而，通過(guò)其他手段應(yīng)該探測(cè)得到馬肖，但實(shí)際上科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的馬肖數(shù)量是不夠的。

現(xiàn)在，更領(lǐng)先的觀點(diǎn)是暗物質(zhì)由溫普（WDMP），弱相互作用大質(zhì)量粒子的英文縮寫(xiě)）組成，而溫普這種新物質(zhì)形式并不符合粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模式。迄今為止，不要說(shuō)捕獲一個(gè)溫普，就連證明它們的存在都根本不可能。有一些科學(xué)家認(rèn)為，研究星際介質(zhì)對(duì)此可能有幫助。銀河系充滿宇宙射線（由超新星爆發(fā)之類的災(zāi)變事件產(chǎn)生的高能粒子）。當(dāng)宇宙射線轟擊星際塵埃和氣體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量伽瑪射線。但銀河系中的伽瑪射線比科學(xué)家預(yù)計(jì)的要多得多，尤其是在銀河系中心附近。觀察這里的光譜，會(huì)發(fā)現(xiàn)它與溫普的湮滅結(jié)果吻合。湮滅是指兩個(gè)溫普碰撞而產(chǎn)生伽瑪射線。當(dāng)然，有關(guān)溫普的猜想是否正確，有賴于對(duì)星際介質(zhì)的很好的了解。

不幸的是，“旅行者號(hào)”的發(fā)射是在溫普假說(shuō)被提出之前。不過(guò)，至少?gòu)睦碚撋险f(shuō)，“旅行者號(hào)”可能探測(cè)得到溫普湮滅所產(chǎn)生的粒子。有些關(guān)于暗物質(zhì)的理論還涉及所謂的“暗光子”的存在。直到2008年才提出的暗光子假說(shuō)認(rèn)為，暗光子攜帶暗物質(zhì)力，這與普通物質(zhì)攜帶電磁力很像。

2015年，法國(guó)一個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用“旅行者號(hào)”的探測(cè)數(shù)據(jù)，尋找星際介質(zhì)中暗光子的磁指針。雖然沒(méi)有找到，但他們?yōu)榘倒庾犹匦栽O(shè)置了一些限制因素，因此把網(wǎng)收窄了。2016年，一個(gè)國(guó)際科學(xué)團(tuán)隊(duì)觀察了暗物質(zhì)的超致密微暈對(duì)星系的效應(yīng)。所謂超致密微暈，是指密度極大的暗物質(zhì)團(tuán)塊。這些科學(xué)家算出，哪怕一個(gè)星系中的暗物質(zhì)中只有1%是以超致密微暈的形式存在，來(lái)自暗物質(zhì)湮滅的熱量也足以把我們周圍星際介質(zhì)中的氣體全部拋射出去。這會(huì)阻止在微暈周圍大約3200光年范圍內(nèi)形成恒星。因此，觀測(cè)星際介質(zhì)中這樣的空隙，能成為更多了解有關(guān)暗物質(zhì)分布的另一種方法。

生命起源

生命有可能并非形成于星際空間。但這并不意味著星際空間沒(méi)有生命。

地球生命有無(wú)可能起源于星際空間？現(xiàn)在大多數(shù)科學(xué)家傾向于認(rèn)為，生命并非起源于星際空間。但他們也指出，星際介質(zhì)無(wú)疑是一個(gè)很值得探索的領(lǐng)域，理由很簡(jiǎn)單：在星際介質(zhì)中發(fā)生著許多有趣的天體化學(xué)過(guò)程。

在形成年代早于地球的小行星的隕石中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了構(gòu)建DNA的基本單元——氨基酸。但氨基酸并不是生命，它距離完整形成的細(xì)胞還差得很遠(yuǎn)。沒(méi)有水或能量，就不可能形成生命。這就好比把一堆蔬菜扔在地上，要它們自己變成湯。

然而，既然星際介質(zhì)看來(lái)無(wú)處不在，許多天體生物學(xué)家自然很期待這種可能性：宇宙中（除了地球之外的）其他地方也有生命。如果一個(gè)有水的溫暖世界上存在生命成分，那么那里就有可能發(fā)生著生命所需的化學(xué)過(guò)程，也就可能存在生命?？茖W(xué)家說(shuō)，碳元素很擅長(zhǎng)組建復(fù)雜分子的化學(xué)反應(yīng)。如果星際空間的寒冷真空正在制造氨基酸，那么可以肯定在外星的溫暖海洋里正在發(fā)生著這樣的化學(xué)反應(yīng)。

科學(xué)家傾向于認(rèn)為生命會(huì)待在自己的星球上。但如果真相并非如此，星際介質(zhì)就可能成為尋找外星生命信號(hào)的好去處（想象圖）。

如果生命真的不是起源于星際介質(zhì)，那么有沒(méi)有這種可能性：生命起源于一顆行星或衛(wèi)星，然后穿越星際空間，傳播到其他地方？很多科學(xué)家現(xiàn)在也傾向于認(rèn)為這不可能，因?yàn)楝F(xiàn)有證據(jù)根本不支持這種推測(cè)。

但是，在星際空間，我們可能會(huì)傾聽(tīng)到外星文明信號(hào)。迄今為止，我們一直關(guān)注的是恒星系統(tǒng)，這是由于我們對(duì)生命的看法基本上受限于我們自己的世界——地球和太陽(yáng)。而實(shí)際上，外星生命可能受限于相同方式。如果外星文明走出自己的家園，正旅行在星際空間，地球探測(cè)器就有可能在星際空間收到它們的信號(hào)。

太陽(yáng)與星際介質(zhì)之間的交互作用，有可能也在保護(hù)我們免受銀河系輻射方面起了重要作用。其作用方式與地球磁場(chǎng)作為一種力場(chǎng)讓我們免受太陽(yáng)輻射侵害是一樣的。有科學(xué)家認(rèn)為，這樣的雙重保護(hù)才是讓地球成為生命庇護(hù)所的先決條件，這個(gè)條件并非像以往認(rèn)為的那樣只是地球磁場(chǎng)。

位于太陽(yáng)目光層與星際空間分界線的“旅行者號(hào)”，當(dāng)然正處在測(cè)量該區(qū)域輻射等情況的最佳位置。在離開(kāi)目光層之后，“旅行者1號(hào)”已經(jīng)注意到了宇宙射線數(shù)量的猛增。通過(guò)比較這里的輻射水平和日光層以內(nèi)的輻射水平，我們就能知道自己被日光層保護(hù)的程度。這些數(shù)據(jù)不僅將有助于科學(xué)家尤其是天體生物學(xué)家查明“雙重盾牌”的保護(hù)力度，而且會(huì)促成他們思考：如果雙重保護(hù)的確是生命存在所必備的條件，那么在其他恒星附近發(fā)現(xiàn)生命的可能性會(huì)有多大？答案也許并不如以往設(shè)想的那么樂(lè)觀，理由是——生命條件變得更加苛刻了。

發(fā)現(xiàn)外星生命的可能性，也許并不如以往設(shè)想的那樣高：

“旅行者號(hào)”的裝備

1紅外干涉光譜儀及輻射計(jì)

用于測(cè)量行星亮度、溫度及化學(xué)組成。在紫外、可見(jiàn)光和紅外頻率工作。

目前狀況：均已停用。

2成像科學(xué)子系統(tǒng)

它是“旅行者號(hào)”的眼睛，包括兩部照相攝像機(jī)。其中每一部有8個(gè)過(guò)濾器。照相攝像機(jī)安裝于鏡頭前方的一只轉(zhuǎn)輪上。

目前狀況：均已關(guān)閉。

3等離子體子系統(tǒng)

正如其名，它尋找的是等離子體中緩慢移動(dòng)的粒子。等離子體是帶電氣體，其中原子的電子被剝離。

目前狀況：“旅行者1號(hào)”的停用?！奥眯姓?號(hào)”的在用。

4紫外光譜儀

用于研究行星大氣層。

目前狀況：均已停用。

5宇宙射線子系統(tǒng)

尋找在巨行星磁場(chǎng)中被加速的高能粒子?，F(xiàn)在被用于探測(cè)宇宙射線。目前狀況：均在使用。

6光電偏極計(jì)

20厘米光圈的望遠(yuǎn)鏡。它能測(cè)量光的極化。

目前狀況：均已停用。

7低能帶電粒子感應(yīng)器機(jī)載的3部粒子感應(yīng)器之一，能探測(cè)能量高于宇宙射線子系統(tǒng)和等離子體子系統(tǒng)測(cè)量范圍的粒子。

目前狀況：均在使用。

8高增益天線

機(jī)載的3部粒子感應(yīng)器之一，能探測(cè)能量高于宇宙射線子系統(tǒng)和等離子體子系統(tǒng)測(cè)量范圍的粒子。

目前狀況：均在使用。

9磁強(qiáng)計(jì)

原本用于測(cè)量行星磁場(chǎng)?，F(xiàn)用于測(cè)量太陽(yáng)磁場(chǎng)在日光層與星際空間交界處的改變。

目前狀況：均在使用。

10行星射電天文學(xué)和等離子體波天線

這兩根天線以互相適合的角度排列，其中一根用于低頻無(wú)線電波，另一根用于高頻波。

目前狀況：行星射電天文學(xué)天線均已停用。等離子體波天線均在使用。

11放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器

它是“旅行者號(hào)”的動(dòng)力源。2020年之后，地面控制人員將關(guān)閉“旅行者號(hào)”的更多儀器，以節(jié)省電量。

目前狀況：均在使用。