劉聲遠 劉安立

通過研究星際介質中的物質，科學家希望能更多了解——

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密度都還低得多?？茖W家把這種區(qū)域稱為星際介質。雖然星際介質密度很低，但它被認為占到了銀河系可見質量的至少1096。恒星嵌在星際介質中，但并未與星際介質脫離開，而且誕生于星際介質內部。從這個意義上說，星際介質就像一個生態(tài)系統(tǒng)。

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

在自己的一生中，恒星通過核聚變過程，把輕元素轉化為重元素。然后，隨著恒星死亡，它們把這些重元素發(fā)回到星際介質中。這一物質交換最終決定著星系用盡自己的氣體供給的快慢。通過探索這一永恒的回饋機制，科學家就能對恒星演化有更多了解。大質量恒星的死亡為星系輸入大量元素，例如碳、氧和鐵。隨著時間推移，這會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下降。考慮到人類是碳基生命形式，這個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”已經在對超新星的研究中建功。所謂超新星，就是恒星在到達生命末期時的爆發(fā)。當位于蜘蛛星云、距離地球大約16.3萬光年的SN1987A超新星在1987年爆發(fā)時，“旅行者2號”立即調轉鏡頭對它進行了較近距離觀測。從那以后，進一步觀測證明該區(qū)域持續(xù)演化。不僅恒星拋射出的材料膨脹后又冷卻，塵埃和分子質量也非常顯著地增長。換句話說，這就觀測到了死亡恒星為星系輸入物質的過程。

通過研究恒星怎樣從星際介質中形成，科學家就能了解太陽和太陽系相比于宇宙中其他恒星系統(tǒng)來說是否常見。科學家發(fā)現(xiàn)，太陽系在宇宙中實際上很不尋常。這就暗示，外星生命（至少是像地球生命這樣的生命）并非如科學家之前想象的可能那么常見。不僅如此，科學家有關大質量恒星與非大質量恒星之間的平衡的觀點也發(fā)生了轉變。

阿塔卡瑪大型毫米天線陣

最近一系列觀測表明，星際介質中低質量天體的數(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）和行星質量天體。

隨著兩艘“旅行者號”迅速接近生命終點，科學家也把目光轉向新的“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）。有了這個天線陣，科學家得以首次觀測星際介質的細節(jié)。

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

暗物質

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

來自于天體的放射性輻射，可能有助于科學家探索暗物質。

科學家原本以為，暗物質可能只是普通物質，但因為它們太暗，所以我們看不見。這樣的普通物質包括褐矮星、迷走行星和太陽質量的黑洞。這些天體被統(tǒng)稱為馬肖（MACH0s，暈族大質量致密天體的英文簡稱）。然而，通過其他手段應該探測得到馬肖，但實際上科學家發(fā)現(xiàn)的馬肖數(shù)量是不夠的。

現(xiàn)在，更領先的觀點是暗物質由溫普（WDMP），弱相互作用大質量粒子的英文縮寫）組成，而溫普這種新物質形式并不符合粒子物理學的標準模式。迄今為止，不要說捕獲一個溫普，就連證明它們的存在都根本不可能。有一些科學家認為，研究星際介質對此可能有幫助。銀河系充滿宇宙射線（由超新星爆發(fā)之類的災變事件產生的高能粒子）。當宇宙射線轟擊星際塵埃和氣體時，會產生大量伽瑪射線。但銀河系中的伽瑪射線比科學家預計的要多得多，尤其是在銀河系中心附近。觀察這里的光譜，會發(fā)現(xiàn)它與溫普的湮滅結果吻合。湮滅是指兩個溫普碰撞而產生伽瑪射線。當然，有關溫普的猜想是否正確，有賴于對星際介質的很好的了解。

不幸的是，“旅行者號”的發(fā)射是在溫普假說被提出之前。不過，至少從理論上說，“旅行者號”可能探測得到溫普湮滅所產生的粒子。有些關于暗物質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認為，暗光子攜帶暗物質力，這與普通物質攜帶電磁力很像。

2015年，法國一個科學團隊運用“旅行者號”的探測數(shù)據(jù)，尋找星際介質中暗光子的磁指針。雖然沒有找到，但他們?yōu)榘倒庾犹匦栽O置了一些限制因素，因此把網(wǎng)收窄了。2016年，一個國際科學團隊觀察了暗物質的超致密微暈對星系的效應。所謂超致密微暈，是指密度極大的暗物質團塊。這些科學家算出，哪怕一個星系中的暗物質中只有1%是以超致密微暈的形式存在，來自暗物質湮滅的熱量也足以把我們周圍星際介質中的氣體全部拋射出去。這會阻止在微暈周圍大約3200光年范圍內形成恒星。因此，觀測星際介質中這樣的空隙，能成為更多了解有關暗物質分布的另一種方法。

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有生命。

地球生命有無可能起源于星際空間？現(xiàn)在大多數(shù)科學家傾向于認為，生命并非起源于星際空間。但他們也指出，星際介質無疑是一個很值得探索的領域，理由很簡單：在星際介質中發(fā)生著許多有趣的天體化學過程。

在形成年代早于地球的小行星的隕石中，科學家發(fā)現(xiàn)了構建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胞還差得很遠。沒有水或能量，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，既然星際介質看來無處不在，許多天體生物學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過程，也就可能存在生命?？茖W家說，碳元素很擅長組建復雜分子的化學反應。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)生著這樣的化學反應。

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

如果生命真的不是起源于星際介質，那么有沒有這種可能性：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？很多科學家現(xiàn)在也傾向于認為這不可能，因為現(xiàn)有證據(jù)根本不支持這種推測。

但是，在星際空間，我們可能會傾聽到外星文明信號。迄今為止，我們一直關注的是恒星系統(tǒng)，這是由于我們對生命的看法基本上受限于我們自己的世界——地球和太陽。而實際上，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，地球探測器就有可能在星際空間收到它們的信號。

太陽與星際介質之間的交互作用，有可能也在保護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作為一種力場讓我們免受太陽輻射侵害是一樣的。有科學家認為，這樣的雙重保護才是讓地球成為生命庇護所的先決條件，這個條件并非像以往認為的那樣只是地球磁場。

位于太陽目光層與星際空間分界線的“旅行者號”，當然正處在測量該區(qū)域輻射等情況的最佳位置。在離開目光層之后，“旅行者1號”已經注意到了宇宙射線數(shù)量的猛增。通過比較這里的輻射水平和日光層以內的輻射水平，我們就能知道自己被日光層保護的程度。這些數(shù)據(jù)不僅將有助于科學家尤其是天體生物學家查明“雙重盾牌”的保護力度，而且會促成他們思考：如果雙重保護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)生命的可能性會有多大？答案也許并不如以往設想的那么樂觀，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，也許并不如以往設想的那樣高：

“旅行者號”的裝備

1紅外干涉光譜儀及輻射計

用于測量行星亮度、溫度及化學組成。在紫外、可見光和紅外頻率工作。

目前狀況：均已停用。

2成像科學子系統(tǒng)

它是“旅行者號”的眼睛，包括兩部照相攝像機。其中每一部有8個過濾器。照相攝像機安裝于鏡頭前方的一只轉輪上。

目前狀況：均已關閉。

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”的停用?！奥眯姓?號”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)

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

6光電偏極計

20厘米光圈的望遠鏡。它能測量光的極化。

目前狀況：均已停用。

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

目前狀況：均在使用。

8高增益天線

機載的3部粒子感應器之一，能探測能量高于宇宙射線子系統(tǒng)和等離子體子系統(tǒng)測量范圍的粒子。

目前狀況：均在使用。

9磁強計

原本用于測量行星磁場?，F(xiàn)用于測量太陽磁場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線電波，另一根用于高頻波。

目前狀況：行星射電天文學天線均已停用。等離子體波天線均在使用。

11放射性同位素熱電發(fā)生器

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

目前狀況：均在使用。