星际介质

1. 基础定义
   星际介质是指存在于恒星之间广阔空间中的物质和辐射场。它不是绝对的真空，而是极其稀薄地填充着气体、尘埃、微小的固体颗粒（星际尘埃）、宇宙线以及渗透各处的电磁辐射（星际辐射场）。其平均密度远低于地球上实验室能制造的最佳真空，但因其占据的巨大体积，总质量在银河系中可与所有恒星的总质量相媲美。

2. 主要成分：气体
   星际气体主要由氢（约占90%）和氦（约占9%）构成，其余1%是更重的元素（天文学中称为“金属”）。这些气体以多种物理状态存在：

   • 中性氢云（H I 区）：温度约50-100开尔文，密度约每立方厘米10-100个原子。其中的氢原子处于基态，通过其特有的21厘米波长无线电波被探测到，是描绘银河系旋臂结构的关键工具。
   • 电离氢区（H II 区）：由附近高温恒星的强烈紫外辐射电离形成。温度可达约10,000开尔文，密度更高。被电离的氢（质子与电子）复合时会发出特定波长的可见光（如红色的Hα线），形成绚丽的发射星云，如猎户座大星云。
   • 热电离介质：由超新星爆炸等剧烈事件加热和电离，温度高达百万开尔文，密度极低，填充在云团之间更广阔的区域。

3. 主要成分：尘埃
   星际尘埃是尺寸在0.01至1微米之间的固态颗粒，质量约占星际介质总质量的1%。它们主要由硅酸盐、石墨、碳氢化合物以及水冰等物质构成。尘埃的作用至关重要：

   • 消光和红化：尘埃会吸收和散射星光，特别是短波长的蓝光，导致遥远的恒星看起来更暗（消光）且颜色更红（红化）。
   • 星际偏振：非球形的尘埃颗粒在星际磁场中定向排列，会使穿过其的星光产生偏振，成为探测银河系磁场的间接手段。
   • 恒星形成的催化剂：尘埃表面为气体分子（尤其是一氧化碳和氢气分子）的形成提供了反应场所，这些分子是星际云冷却和坍缩形成新恒星的先决条件。

4. 相结构、动力学与加热冷却机制
   星际介质并非均匀，而是呈现多相结构，主要由热平衡和压力平衡维持：

   • 相平衡：冷的致密云（H I 区，~100 K）与热的稀薄介质（热电离介质，~10^6 K）可以在大致相同的压强下共存。
   • 加热机制：主要包括来自恒星和宇宙线的电离辐射、尘埃光致加热、星际湍流耗散以及超新星激波加热。
   • 冷却机制：主要通过原子或离子的禁戒谱线辐射（如碳、氧、硅离子的远红外和紫外谱线）以及分子转动、振动谱线辐射（如CO）将热能释放到太空。
     这些加热和冷却过程的微妙平衡，决定了星际云的温度、电离状态和演化命运。

5. 星际介质与恒星的生命循环
   星际介质是恒星生命周期的起点和终点，构成了星周物质循环：

   • 恒星形成：巨大的分子云（星际介质中密度最高、最冷的部分，以分子氢H₂为主）在自身引力或不稳定扰动下发生坍缩，碎裂形成原恒星，最终诞生新的恒星和行星系统。
   • 恒星反馈：恒星通过星风、辐射压，特别是生命末期以行星状星云或超新星爆炸的形式，将富含重元素（在恒星内部核合成产生）的物质抛回星际介质。
   • 物质循环：超新星爆炸产生的激波还会压缩周围的星际介质，可能触发新一轮的恒星形成。这一循环过程（星际介质 → 恒星 → 星际介质）不断将重元素（“金属”）注入星际介质，使后来形成的恒星和行星系统含有更多的重元素。