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“旅行者”：飞出太阳系，迎来新科学
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Colin Stuart 文 Shea 编译 |
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2012年8月，美国宇航局的“旅行者”1号探测器成为了第一个进入星际空间的人造物体，深入到了银河系中恒星间广袤的区域里。星际空间曾一度被认为是真空的，但现在看起来星际介质有可能会成为认识暗物质、恒星形成和生命起源的关键。 恒星形成 通过研究星际介质中存在有什么物质，科学家希望能更多地了解恒星是如何诞生的。 空间之被称为“空间”是有原因的。恒星之间的区域空得令人难以置信，比在地球上所能制造出的任何真空还要更空。天文学家称它们为星际介质。虽然可能极为弥散，但星际介质却至少占据了银河系可见物质质量的至少10％。恒星就嵌在星际介质中，但却并不与之隔绝。恒星就诞生于星际介质中，它就像一个生态系统。 通过观测与恒星形成有关联的紫外辐射，被称为莱曼α发射，“旅行者”对恒星的诞生进行了研究。到目前为止，天文学家还无法观测到我们银河系中的这些辐射，因为太阳的辐射将它们掩盖了。但是现在，“旅行者”正处于日球层的边缘，在那里太阳风的影响会因星际介质而停止；它们由此可以探测到银河系中此前未知的恒星形成区。  在恒星的整个生命中，它们会通过核聚变过程把较轻的元素转变成较重的。之后，当恒星死亡时，它们会把这些重元素播撒发回星际介质中。这一物质交换最终决定了星系中气体的消耗速度。 研究这个循环往复的过程能让我们更多地了解恒星演化。大质量恒星的死亡可以为星系提供诸如碳、氧和铁等元素，于是随着时间的推移，这些元素的丰度就会改变。 随着这一增丰过程的推进，可以播撒出富碳分子和尘埃颗粒的恒星数目则会不断减小。鉴于人类是一种基于碳的生命形式，这意味着可用于类似我们这样的生命的原材料也正在逐渐减少。 “旅行者”2号还研究了大质量恒星在其生命结束时所发生的超新星爆炸。1987年当超新星SN1987A在距离地球约16 3000光年的蜘蛛星云中发生爆炸时，“旅行者”2号迅速转身对其进行了仔细的观测。从那时起，进一步的观测表明，其爆炸的遗迹一直在不断地演化。不仅被炸出的物质在膨胀和冷却，尘埃和分子的质量也在显著增长。换句话说，这颗超新星的增丰过程正在进行中。 研究恒星是如何从星际介质中形成的还能告诉我们，相对于宇宙中的其他恒星系统，太阳和太阳系有多特殊。最新的观测结果表明，星际介质中存在着比我们此前所认为的更多的低质量恒星。银河系中不仅能拥有数千亿颗恒星，还存在着数目几乎与之相当的褐矮星——质量比恒星小、但比行星大的天体——以及行星质量的天体。  生命起源 生命不可能在星际空间中形成，但这并不意味着在那里不可能存在有生命。 地球上的生命是否有可能起源自星际空间？虽然可能性不大，但这并不妨碍星际介质成为一个重要的研究内容，因为在其中会发生许多有趣的天体化学反应。 在早于地球形成的小行星陨石中，已经发现了构成脱氧核糖核酸（DNA）的要素氨基酸。当然，这仅仅是生命的一块积木，距离复杂且功能齐全的细胞还有十万八千里。生命不可能在没有水和能量的条件起源。就像把一堆切碎的蔬菜扔到地上，然后期待它会变成蔬菜汤一样。 然而，这些生命的要素似乎无处不在，因此有很多天体生物学家对在宇宙中其他地方能寻找到生物抱有极大的期望。如果这些要素最终落到了一颗温暖且有水的行星上，那么就可能触发生命的起源。 所有这一切实际上都在告诉我们，碳是一种非常有利于化学反应并构建复杂分子的元素。如果冰冷且空旷的星际空间正在制造氨基酸，那么同样的化学过程一定会在一颗温暖且拥有海洋的行星中发生。 如果生命无法在星际介质中形成，那么是否有可能它们先在某颗行星上形成，然后又脱离了那颗行星，接着在星际空间中穿行，最后落到了另一颗行星上？这个想法被称为胚种论，很多人对此表示怀疑。 然而，星际空间也可以是聆听外星文明信号的理想地点。到目前为止，我们一直专注于恒星系统，因为我们就位于这样的一个系统中。但外星生命也许并不局限于此。如果外星文明已超越了自己原本所在的行星，可以在恒星间航行，那也许会探测到来自星际空间的信号。 与地球的磁场可以防御来自太阳的危险辐射相似，太阳和星际介质之间的相互作用也在屏蔽来自银河系其他地方的有害辐射上发挥了重要作用。毕竟，有两个磁场来保护总比一个保险。位于太阳磁层与星际空间之间边界处的“旅行者”探测器正处于一个得天独厚的位置可以对该区域进行测量。 现在，位于日球层之外的“旅行者”1号已探测到宇宙射线数目的显著上升。通过比较内外的辐射水平，可以了解日球层的保护效力有多强。这些数据将帮助天文学家和天体生物学家搞清楚在何种程度上这一双重保护的想法是正确的，以及它们对于在其他恒星周围寻找生命会有什么样的启示。  暗物质 有关这个最难以捉摸的宇宙现象，飞出太阳系的冒险又能告诉我们些什么呢？ 气体和尘埃似乎并不是唯一存在于恒星之间的物质。银河系中没有足够的发光物质来提供维系它所需的引力，所以有人提出在我们周围——也包括在星际空间中——潜伏着一些看不见的物质，即暗物质。 天文学家们起初认为暗物质只不过是太过暗弱而无法被看见的普通天体，例如 褐矮星、流浪行星和恒星质量黑洞等。它们被统称为晕族大质量致密天体。 然而，使用其他的手段应该能探测到它们，但目前仍没有找到足量的这些天体。现在，主导的现代观点认为暗物质由弱相互作用大质量粒子构成的，它们是一种超越粒子物理学标准模型的新粒子。但到目前为止还没有捕捉到一个弱相互作用大质量粒子，甚至也无法证明它们真的存在。然而，研究星际介质将有助于此。 银河系中充满了宇宙线，它们是由诸如超新星爆发这样的毁灭性事件所产生的高能粒子。当宇宙线轰击星际尘埃和气体时，会发射出大量的γ射线。天文学家测量发现，银河系中的γ射线超出了预期，尤其是在银河系的中心附近。这些辐射有可能是弱相互作用大质量粒子湮灭的产物，因为它们碰撞时会产生γ射线。当然，这一切都首先要求对星际介质有一个很好的认识。 不幸的是，“旅行者”号发射于弱相互作用大质量粒子这个想法被提出之前。不过，至少在理论上，湮灭的弱相互作用大质量粒子应该会产生出可以被它们探测到的粒子。  对暗物质的一些解释还会要求存在一种暗光子。提出于2008年，这种假想的粒子承载着暗物质间的相互作用力，就像普通的光子承载着电磁力。2015年，科学家们使用“旅行者”的数据来寻找星际介质中暗光子的磁场信号。虽然并没有找到它们，但对它们的特性给出了一些限定。 此后，2016年，天文学家研究了超致密迷你暗物质晕对星系的影响。这些晕是密度极高的暗物质团块。计算发现，如果一个星系中仅有1%的暗物质是以超致密迷你暗物质晕的形式存在的，那么暗物质湮灭所释放的热量就足以抛射出它周围星际介质中的所有气体。这会使得恒星无法在该迷你晕周围约3 200光年的范围内形成。所以，在星际介质中寻找这些空腔是另一种了解暗物质分布的方式。 |
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[BBC Focus 2017年09月]
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2001-2018火流星工作组制作
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