2007-02-08
巨型分子云是什么样的星际云?巨型
十年前仍未?槿怂木扌头肿与?,是銀河系中最大的物體,也是大部分星球誕生的所在。
天文?W家研究星球之形成所面臨的??題,就如同於十九世紀生理?W家研究胚胎的成長一?印.?星球肇始之際,我???o法觀察到,因?樗灰?影?m埃及?怏w凝聚成的不透明?所包?5鹊竭@?与?散開後,我??看得??星球?r,它如何發光發?岬?C制?s早已開始。 猶如一??新生?阂话悖绾纬尚蔚木?索已??o法追?ち恕?
我??已熟知,一些碟狀星?的螺旋臂部分(例如本銀河)是一些星球的誕生?。近?淼难芯扛宄仫@示,大部分星球的誕生?是在本銀河的螺旋臂中,巨大的?浞肿与?複合體?取_@些複合體和某些星?...全部
十年前仍未?槿怂木扌头肿与?,是銀河系中最大的物體,也是大部分星球誕生的所在。
天文?W家研究星球之形成所面臨的??題,就如同於十九世紀生理?W家研究胚胎的成長一?印.?星球肇始之際,我???o法觀察到,因?樗灰?影?m埃及?怏w凝聚成的不透明?所包?5鹊竭@?与?散開後,我??看得??星球?r,它如何發光發?岬?C制?s早已開始。
猶如一??新生?阂话悖绾纬尚蔚木?索已??o法追?ち恕?
我??已熟知,一些碟狀星?的螺旋臂部分(例如本銀河)是一些星球的誕生?。近?淼难芯扛宄仫@示,大部分星球的誕生?是在本銀河的螺旋臂中,巨大的?浞肿与?複合體?取_@些複合體和某些星?F一?樱煞Q得上是銀河系中最大的物體,且它??的?的勘刃?F?多。
它??占了銀河系中?怏w的大部分,然而十年前?不曾?槿怂?
星際間的?怏w
想要了解分子?複合體,必?先了解其組成。在黑夜裡,放眼向天空望去,你或許?X得星際間是一片空?纾??有?|西存在,但是非常稀薄。
就拿??碇v,?橛钪嬷凶钬S富的元素,在星際間的平均密度不超過每立方公分一??原子。星際間的物質可以多種形式存在,有?r候???岬??B星?;有?r候?楹诎敌请?,??⒈翅嵝乔蛩l出?淼墓庹谧 ??之,星際間的物質之組成?K不很均?颍忻芏雀咭灿忻芏鹊偷?^域。
有人?⒚芏雀哒叻Q?椤鸽?」,密度低者稱?椤鸽?際?怏w」。
起初人??認?檫@些?中含有?湓樱?K混有少量(大約10%)氦原子和較重的原子,另外有1%?槲⑿〉?m埃。這些?m埃??p弱背景星球所發出的光:通常吸收在可?光範??鹊墓猓懦黾t外光,因此這些?看起?聿煌该鳌?
近十年?恚?渡鲜鼋M成的看法有重大的改?,人??認?榻M成?的是「分子」而非原子。
?烧咧町??榉肿与?比原子?冷且密。銀河系中約有10~50%的?怏w是以分子形式存在。通常一?F?不是全?榉肿樱褪侨?樵印5亲畲蟮姆肿与?似乎外面都包了一?釉?狻7肿邮怯???以上的原子所組成的?定?挝唬羌?質所能分割的最小?挝唬跃哂衅浠?W性。
分子也和原子一?樱煞懦龌蛭漳骋惶囟úㄩL之?磁?射。每一??波長可在光譜上一一?Τ觥H羰前l射光譜?t?槊骶?;若?槲展庾V?t?榘稻?。?度魏我???特的分子均可?y得?蛋?l光譜?,且其波長可量到百萬分之一的精度。
若我??朝著天空的某一方向??y得??l光譜?,且這些光譜?可與已知的某??分子的光譜相符,?t誤認的?C?愫苄 ?
旋轉的分子
然而,這?K不是說鑑定巨型分子?複合體是件??蔚墓ぷ鳌W畲蟮碾y題是?o法在分子?的一般?囟龋s10°K的低?兀┫拢?y得分子?的主角──?浞肿拥妮?射。
重要的是,分子?中的分子是?D的,而且?倪h?看?恚诵D相?於分子?入?子在作週期振盪。事??上,旋轉使?子?砘卮┧螅缤?子在天?中移?右话恪D骋惶囟ǖ姆肿又挥???固定且不連續之轉速。
?母咚僮??榈退?r,?子?懦瞿芰俊?
一般認?榉肿与?質量的99%??浞肿印S伸?浞肿?ΨQ於其轉軸,所以分子?鹊????子的平均位置就在轉軸上。因此,?浞肿拥男D?K不?斐呻?子的振盪。
更中?地說,就是改?轉速?r,?K?o?子放出能量。
幸?分子?中有少量的分子是不?ΨQ的。這些分子中的?子平均位置不在轉軸上。分子的碰撞(?ΨQ或不?ΨQ)的頻率很大,且有足?虻哪芰慨a生不同旋轉?B之轉移。
分子?所發出之?射,就是這些不?ΨQ分子的旋轉?B轉移而產生的。其波長通常在?坠值绞种还遄笥遥虼丝捎?o??波望遠鏡?y得。
目前在太空中已有53種分子被確認出,另有4???不太確定。
這些分子中有許多(包括很多含量大的)是地球上常?的??畏肿樱缢⒍趸肌薄⒓兹℉2CO)等。其他尚有些如OH及HCO+等,?H在???室中製造出?恚?樗???O易反?诘厍蛏系奈镔|密度下,?⒓醋饔谩A硗膺?有C4H、HC7N、HC9N,這些分子尚未在地球上發現過,其存在是根?碚?推算出?怼M扑愕倪^程是,先假設某些不明?碓吹淖V?是某分子發出的,進而由?算?眍A?y此分子其他譜?的波長。
?這些預?y出?淼淖V?在分子?光譜中找到?r,我??便可推?啻朔肿哟嬖陔??庵小?
目前所?y得最複雜的分子?镃H3CH2OH,即乙醇。根??R里蘭大?W的朱克曼(B。M。Zuckman)等人的觀察,銀河系中心的酒精之多,足以?⒌厍蜓b?M十萬次?有餘。
不過因?榉肿与?中含水甚多,約?橐掖嫉氖f倍,所以這瓶酒的「?舛取怪挥?。001%。何?r有?r???в幸稽c不宜?用的氰化?洌℉CN)。
目前所能?y得含量較多的??B分子不外是由?洹⑻肌⒌脱跛M成(少?颠?含矽和硫)。
這??組成正反映著宇宙間一般的元素相?俊?湟约昂ぃㄋ嵌栊?怏w,所以不?纬煞肿樱┰谟钪嬲厥贾H便形成,而碳、氮、氧及一部分的氦是在星球?炔可钐?發生核融合?r所產生的主要產物。這些在星球?炔亢铣傻脑兀山?捣N途?缴⒉サ教罩校河械模ㄒ苍S所有的)星球利用粒子風?魉统鋈ィ挥械?t?⑼?拥暮w物質??出(?成新星);甚至有些星球產生很??烈的爆炸形成超新星,而?⑵浯蟛糠治镔|??放到星際空間去。
一氧化碳的重要性
?读私饩扌头肿与?複合體性質最具?獻的要算是一氧化碳了。這是由?????室的威?遜(R。W。 Wilson)、?芨テ?(K。B。Jafferts)及賓加斯(A。
A。Penzias)所發現的。太空中所含的一氧化碳,大約只有?浞肿拥囊蝗f分之一,但它在低??r仍可發出很??的?射。同?r???y結果顯示,一氧化碳與其他分子相較,它的分布與?渥钕嘟R谎趸寂c?渑鲎册幔淖?其旋轉?B而放出?射。
因此,一氧化碳的?射可做?樽粉?星際間分子?怏w的工具,就如同染色?┛山野l生命組?的結??一?印?
1973年,哥??比??大?W的塔克(K。 D。 Tucker)、?焯丶{(M。L。
Kutner)與戈達太空研究所的撒度斯(P。Thaddeus)?y定了獵?粜亲旭R頭星?附近的一??分子?,發現?分子?延展成6平方度的天空,相?於被月球遮蓋面積的30倍。
由於分子?的面積如此之大,引起了一??很奇怪的??題,?o??波望遠鏡自某一?^域所收集得的?射量與??y之距離成反比。
塔克諸人所用的?榈轮蓰?克唐納天文台的五公尺望遠鏡,它可?y得直??。3分的範??纫谎趸妓l出?淼妮?射。?過一週的觀察之後,他??分?e?碾?的150?收集到資料。但如果每次只看2。3分,而要?⒄???完全觀?y完?,?t需連續不?嘤^?y六??月之久。
目前已知,他??所研究的只是銀河系中4,000??分子?中的其中一??。所以想要把銀河系中所有的分子?均觀?y到,所需耗費的?r間可想而知。
?榱私?Q這????題,必?設?一??小型且有更????野的望遠鏡。
於是撒度斯和?酌芯可⒓??在哥??比??大?W設?了一??1。2公尺的望遠鏡。這是一?新的?L?,因?榘??世紀以?磉??]有一位天文?W家在紐約市觀?y過。他??怕大都市的一氧化碳??_觀?y結果。
其???σ谎趸疾ㄩL的?波而言,今日的紐約天空仍像印地安人居住?r一?拥那宄骸S伸洞蠖际幸谎趸嫉淖V?因大??毫Φ挠绊??得很??,可?氖占玫挠??中扣除。撒度斯的新望遠鏡一次可涵蓋的面積比以前大12倍。
這?右?恚?⒃S多的分子?繪製成?D便有可能了,但解相力稍差。布里?(L。Blitz,本文作者)也?⑴c了在哥大的觀?y工作,這??研究小組尚包括G。 P。 Baran、 G。 Chin、 R。
S。 Cohen及丘宏義等人。
等到1977年,人??已了解到最大的分子?有些共同特性:第一,它??的質量大約是太?的十萬到二十萬倍;第二,其密度?槿请H物質平均密度的100倍,但是?本身?炔康拿芏缺饶壳???室所能達到的真空程度?要稀薄;第三,?中的?怏w各自集成許多?F,而每一?F的密度?檎???平均密度的10倍,甚至有?r候也可以找到比這密度更大的。
因?樗须?均有此結??,所以叫做複合體。所有的複合體形狀均?O不??t,但?界很明顯,通常呈?長狀,最長可達100秒差距(?附文解說),一般均在45秒差距左右。
生命短?旱木薮蠛阈?
到1977年人??也知道了分子?是星球誕生的地點,很可能所有星球即是如此誕生的。
人??之所以有這種看法的原因,是與星球的本性有關的。由於太?是顆很普通的恒星,所以其質量、亮度等常被用?槎攘科渌乔蛐再|的?挝弧?梢?的恒星的質量範?苄。??0到1/12??太?不等,亮度的範??t較大些。
最亮且最重的恒星亮度可達太?的一百萬倍;最暗的大概比太?暗十萬倍。恒星消耗核子燃料(或是質量)的速率與其放出能量的速率有關。因此最亮的恒星的燃料消耗速率比太?快一百萬倍。例如,最亮且最重的恒星──ο星,?過三百萬年便??辏蠹s比太?快了3,000倍;而最暗且最年輕的恒星?t比太?慢1,000倍。
質量大,生命短?旱摩闲?懦鲎贤饩?,但在天空中我??看起?硎撬{白色。更重要的是,這些紫外?能?蛴坞x?@在它周??怏w,使分子分解?樵樱踔劣?r候??㈦?子游離出。??子回?碇匦陆Y合?r,?懦鎏囟úㄩL的光。
值得注意的是,?子與質子結合成?湓?r?懦??烈的紅光。一些年輕的恒星常常就這?映?槲?光??B星?(fluorescent gaseous nebulas)的激發能源。天文?W家?⑦@些?系命名?镠Ⅱ?^域。
早在1970年初期,天文?W家開始?ふ乙谎趸?r,便發現HⅡ?^域是最理想的?ο蟆K跃扌头肿与?複合體和HⅡ?^域有密切的關?S。事??上,加州大?W的柏克萊分校的費契(M。Fich)和?????室的史塔克(A。
A。Stark)最近的研究顯示,大約有80%的HⅡ?^域與分子?有關連。游離HⅡ?^域的ο星生命期很短,所以?o法離開其誕生?很遠(即使以每秒十公里的速率行走,三百萬年的生命期只走了30秒差距,仍在複合體之?龋R蚨??可以推?ο星是在複合體中誕生的,它??放出的光造成了HⅡ?^。
ο星不?H能?蚴咕扌头肿与?複合體?鹊?怏w游離,同?r具有推?恿Α?怏w可由複合體表面以每秒10~12公里的速率被??出。如此大的速率??好可以抵消分子?的重力吸引。因此,複合體?炔?嗾Q生的巨星,在?登f年之?缺??⑵浯档??消?散。
我??相信,恒星之興起是連續的。?HⅡ?^域與巨型分子?複合體相連?r,由HⅡ?^域所產生的?射?毫唉闲?炔克a生的粒子風?毫Y合起?恚?ρ}合體造成一股衝?簟Q刂n?糁?^域,?怏w的?囟取?毫懊芏染?×业淖?化,結果分子?怏w受到?嚎s。
在正常狀?r下,??炔康?毫Γㄒ簿褪桥蛎?力)大致上可與其本身的重力保持平衡。若作用力方向改??t??е卤?ⅰk???戎?毫θ绾萎a生,迄今仍不很清楚。我??已知10°K的?囟炔蛔阋援a生?毫ΑTS多人認??怏w中的磁?鍪顷P鍵所在。
在許多情形下,似乎??怏w受到衝?舳?嚎s?r,小?F?怏w的自身重力?黾佣?o法不崩?ⅰ_@些小?F繼續凝縮後便形成一??星球。
?的昵埃犯鹆眨‥lmegreen)和拉達(Lada)發展出一套衝??扌头肿与?複合體所產生之影?的模式。
他??分析HⅡ?^域與一?泳?蚍肿?怏w的交互作用,認?橐??星球形成所產生的衝?簦纱偈沽硪??星球的產生。就在?的昵埃乜巳R的克萊恩(R。I。Klein)和美??⒙逅_拉摩斯???室的史丹佛(M。
T。Stanford)及威特克(R。Wittaker)也提出了一??模式,?Ⅱ?^域與不均??怏w?間的作用有更精確的解?,他??認?樾乔蛐纬煽赡芙?過一?×业倪^程:?衝??砼R?r,?怏w?F?幌??嚎s,產生?缺?
原?t上,由老一?的恒星引發產生新的恒星這种過程,可一直進行到複合體中所有的?怏w都轉??楹阈牵虮淮瞪⒊尚请H介質?橹埂+C?粜请?和薔薇星?中含有好?状乔颍闶??例證。
亦有證?@示,星球可於複合體中自然發生。天文物理中心的史蒂?(M。T。Stier)、?芊疲―。T。Jaffee)及菲佐(G。G。Fazio)指出,在與?W米茄星?(Omega Nebula)有關連的巨型分子?複合體中,各?都可?到質量頗大的星球形成,?K不只限於分子?受??庑n?糁?。
此外,有?最?質量較小的年輕星球,例如T Tauri星,好像均生於在未受外?淼牧α恳l的地點。然而我???不知道有多少星球是自然發生的,或是有多少是受外力引發的。星球的形成?有待我??更進一步的探?。
?的?勖?
現今在太?附近(2,000秒差距以?龋┮阎木扌头肿与?複合體,均有年輕星球????形成的跡象。甚至有些正在形成的星球年輕到?只放出紅外?。因此似乎在?一成形之後,複合體就開始有巨大的星球形成。
在上限方面,若複合體的年齡??^一?|年,若超過一?|年,其?炔康?y流及黏??蛊溲葑?成有核心的球體,而目前所看到的分子?都是不??t而且?]有明顯向中心凝聚的現象。因此有人認?榻袢账?的巨型分子?複合體的?勖§度f年。
但是尚不能確定,不過其?勖蟾攀遣怀^太?系年齡的百分之一。
既然?是這麼年輕,那麼它??必定是不?嘣谛纬芍校???生成?C制被提出。其中之一?椋悍肿与?碰撞?r便緊緊地黏在一起,而不???開(這是因?樗??之間的平均碰撞速度比?波在?中的速度?快,所以碰撞產生震波,就好像音爆一?樱梢韵呐鲎驳哪芰浚_^了一段?r間後,巨大的分子?便可由許多小?碰撞而形成了。
但此過程非常?慢,根??算顯示,除非?的年齡有??|年之久,否?t這???C制??在不?蚩臁?
另外一???C制,由柏克萊的徐先生(Frank H。 Shu)等人提出:複合體的形成是藉著充?M整??星際介質的磁??槊浇榈模淮?龅牧梢?鹘o?щ?粒子,然後藉碰撞?鹘o不?щ?之粒子,於是磁?龅牟环?定性使介質流?佣煞肿与?。
第三???C制,由艾姆葛琳所提出,認??怏w的自身重力可使?怏w合?愠删扌头肿友}合體。??硪欢ㄟ??性S多其他的?C制被提出,但這??題的答案似乎?不到呼之欲出的地步。
?的?v史
分子?複合體的生命史,由誕生、幼年、中年,而衰老、死亡,生生不息,循環不已,其中有許多??尚?俅?y,不過大致如下所述。
?銀河中的?怏w繞著中心旋轉?r,?是?L期性地碰到介質密度較高的?^域,這些?^域是由密度波所產生。密度波是銀河中的物質?由棒狀分布的星球群或是伴銀河所引起的重力微?_所造成的(本銀河有???巨大的伴銀河,就是大、小?哲???,也有人認?槠渲行牡男切浅拾魻罘植迹C芏炔ǹ稍斐摄y河的螺旋臂結??。
在高密度?^域(也許是螺旋臂或其中某一段),?怏w聚集成大?F,這就是巨型分子?複合體。若?怏w起初?榉肿有?B,小的?可聚集成巨大的複合體;若?怏w原先?樵有?B,?t??嚎s成分子。
一旦複合體形成,質量小的恒星便緊跟著在其中各部形成。
有些?^域形成的??F?虼螅?斐删薮蟮摩闲牵畛跛??不發可?光,只能以紅外??y得。它?????谒闹艿?怏w游離,結果形成一??小的HⅡ?^域,仍?o法在可?光波長看到,但可以由紅外?及?o??波望遠鏡察覺。
HⅡ?^域?^續?U大直到解離的?怏w與巨型分子?複合體的表面接觸?r才停止。HⅡ?^域的?射及粒子風??散一部分的複合體,因此我??才得以窺?一些質量小的恒星。同?r,?射及粒子風亦??嚎s一些分子?怏w,形成新一代的巨大恒星。
這些下一代的恒星又?^續進行游離及?嚎s,直到複合體中大部分的分子?怏w消失?橹梗@大概要花三千萬年。也可能是ο型星自然生成,直至用光?怏w?橹埂?
萊登(Leiden)天文台的俄?特(J。
H。Oort)和普林斯頓大?W的史??(L。Spitzer, Jr。)提出一?假設,?複合體正值消耗之際,一些未遭破?牡?怏w?患铀俣M入星際介質?中。於此過程中,一部分的?怏w?檩?射所游離,這些離子自身的?射??⑦@小?K?推出複合體之外,這?右?纬奢^小的分子?。
例如??利桑那大?W的波克(B。J。Bok)所發現的波克球體(Bok globules)。任何由複合體中發出的質子及?子,到最後仍?Y合成?湓樱妒怯肿?回星際介質的一部分。然後?傺刂???道繞著銀河中心運轉,直到再碰到螺旋臂?橹埂??r形成巨型分子?複合體的過程又?⒅匦麻_始了。
複合體的分布
在巨型分子?複合體中最亮的恒星,可清楚地定出許多銀河的大螺旋結??。所以我??很自然地?氲奖俱y河系中的複合體或許可顯示出本銀河螺旋臂的結??。一些研究小組工作了很久,但迄今其結果?有許多分歧之?。
原因之一?橛^?y?ο笾x??K不很完全。?有靠近銀河中心的螺旋臂部分難以?硕āR??o??波觀察只能得知各方向星際間一氧化碳的速度之分布。由此速度(因?怏w?@在銀河中心旋轉而?恚┛梢远ǔ?怏w?c銀河中心的距離,但其與太?系距離?t有???可能性,因而有歧義。
布里?、?炜幔⊿。Kulkarni)及海雷斯(C。Heiles)指出,銀河外?木扌头肿与?複合體確??集中於螺旋臂?龋嚯x銀河中心4,000~8,000秒差距?有一密集地?А3^此?,密集情形?u?p,直到距離中心約20,000秒差距的???橹梗ㄌ?距離中心約10,000秒差距)。
?毒扌头肿与?複合體與銀河結??的關?S之研究尚在萌芽階段。例如,天文?W家現在才?u?u?缘茫}合體?︺y河系中星球分布情形有很大影?。不?H是因?樗??能?虍a生恒星,而且可??@在它??四周的星與星?F施加重力及潮力。
大約25年前,史??和許瓦?齊(M。Schwarzschild)主??,在銀河盤面垂直方向的恒星分布,可能是由於巨大的?怏w?間之重力交互作用所造成的。六年前,史塔克與作者證明分子?複合體的質量與體積?虼螅梢越忉?這種恒星分布。
巨型分子?複合體所產生的潮力可能與結合較鬆之星?F間的崩?⑴c散失有關。而且許多天文?W家?岩摄y河間γ射?的產生,是因?楦吣芰苛W优c巨型分子??鹊奈镔|碰撞的結果。天文?W家???Ψ肿与?愈注意,就發現這些??︺y河系的??在影?愈多。
宇宙中任何一??新分子的發現不只是令人興?^,也??碓S多新??題。
(本文譯自L。Blitz,“ Giant Molecular-Cloud Complexes in the Galaxy”, Scientific American, pp 72~80, April 1982)
李世琛就讀於清華大?W化?W研究所
秒差距(parsec):
一?A弧長?橐惶煳?挝唬吹厍蛑撂?之平均距離)其弧角?橐幻耄?t此?A之半??橐幻氩罹唷?
一秒差距=206,265天文?挝?
=3。
26光年
=3。08 ×1013公里。
若由地球觀?y一天體在一年之中﹐因地球公轉使觀?y角度之最大?化與平均角度相差一秒,?t此天體距地球?橐幻氩罹唷?
。收起