整個宇宙,都是我的動物園——天文化學

整個宇宙就像是一座「分子動物園」,藉由研究的分子光譜,我們可以得知這分子的分佈、溫度等性質。由於不同的分子有著不同的「習性」,我們還可以得知孕育這些分子的星際環境。

撰文|許世穎

●天文化學

天文學是研究宇宙間天體的自然科學,除了一般大眾較為知道的「天文物理學」以外,宇宙擁有很多的面向,其中一個就是本文的主題:「天文化學」。同樣都是研究「物質」的科學,物理學與化學以不太一樣的方式來觀察這個世界。天文化學著重那些宇宙間不同天體環境中的原子、分子、離子等,研究它們的形成、分布、它們之間的交互作用,或是與環境的交互作用。(接下來為了方便起見,我們將分子、離子等統稱為分子。)

天文學雖然是最古早的科學之一,但是天文化學這個學門則要到20世紀中期才開始慢慢出現。理由很簡單:因為分子看不到呀!星星那麼大一顆,用望遠鏡都不一定能看清楚了,更何況是擺在眼前都看不到的分子呢?因此要研究宇宙中的分子,必須要靠特別的技術才行。最重要的技術之一就是「光譜學」。

光譜(spectrum)是將光依照波長或頻率排列出來的圖案。「彩虹」就是一種光譜:是太陽光依照不同頻率分開來的圖案。光的範疇除了可見光以外,還有很多看不到的波段,如無線電波、紅外線、紫外線、X光......等。每一種分子都有著屬於自己的光譜,在地球上的我們如果想要知道分子的光譜長什麼樣子的話,除了可以做實驗量測以外,更多的是用電腦做精密的模擬計算來預測。分子的光譜就像它們的「指紋」,警察會將採集到的指紋與資料庫比對,來得知這枚指紋是哪個人留下來的。天文學家做的事情很像,是將觀測到的光譜與資料庫比對,來得知遙遠星際另一端有哪些分子,甚至是它們的含量、溫度等(圖1)。想要了解更多天文學家如何使用光譜學,可以參考:<把光拆開來看:天文學中的光譜>。

圖1:銀河系中央的光譜,從中可以分析出很多不同的分子,甚至包括他們的含量、溫度、分佈等等。圖片來源:Credit: ESO/J. Emerson/VISTA, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Ando et al. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit [2]

●「分子動物園」

我們目前從星際間觀測到了約200多種分子。整個宇宙就像個動物園一樣,有一些動物能反應出當地的環境。舉例來說,看到河馬就知道那邊是有水、有草的環境;看到櫻花鉤吻鮭就知道有水溫偏低的溪流 [3]。宇宙分子動物園也是一樣的,觀察分子的分佈、含量,可以讓我們回推物理環境。這裡就介紹幾種常見的星際分子吧!

圖2:宇宙中有很多不同的分子,分佈在不同的地方示意圖。圖片來源:[4]

氫分子(molecular hydrogen, H2)是宇宙中含量最高的分子,也是分子雲的主要成分。分子雲中每一立方公分大約有一萬個氫分子(104 cm-3)。而分子雲則是恆星、行星誕生的地方。了解氫分子的分佈能幫助我們研究恆星形成。同時氫分子能與較重的元素反應,是許多化學反應的催化劑,產生其他的分子如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、 氰基自由基(CN)等。氫分子對天文化學來說相當重要,可惜在分子雲這種均溫只有零下200多度的環境,幾乎是不太可能觀測到(因為它是個對稱的分子,有興趣的讀者可以再進一步了解。)。[5][6]

一氧化碳(carbon monoxide, CO)分佈在星際間低溫、高密度的區域。它是星際間含量第二高的分子。一氧化碳比起氫分子容易觀測太多了,所以天文學家更容易從一氧化碳的圖像來得知分子雲的分佈。由於分子雲幾乎沒辦法用可見光直接觀測,早期的科學家根本不知道我們周邊有這麼多分子雲的存在,直到觀測了一氧化碳的圖像之後才大開眼界。 [5][6][7]

氨(ammonia, NH3):氨也是很容易被觀測到分子。歷史上第一個觀測到的分子是就是氨。氨有許多譜線,而這些譜線的強度對於環境變化非常敏感,能對應到很多種不同的星際環境。對氨的觀測能讓我們更精確地回推出該處的環境狀況 [8][9]。

●整個宇宙,都是我的動物園

宇宙中的環境變化太大了,不同的環境下化學反應可能會有很大的差異。宇宙間的發散星際雲(diffuse cloud)、密集分子雲(dense cloud)、恆星形成的熱原恆星核(hot core)等這些已經偵測到大量分子的區域,溫度分佈從10 K~1000 K(約攝氏負200度到正800度)、密度從每立方公分一百顆粒子到十兆顆粒子(102 cm-3~1013 cm-3)都有!這裡介紹幾種分子含量高的星際環境。

恆星形成區域(star-forming region)是分子雲內部高密度、正在形成恆星的地方。獵戶座KL星雲(Orion KL,見圖3)是獵戶座大分子雲中恆星形成最活躍的區域。在這裡有許多的「複雜飽和有機分子」出現,如:甲醇(CH3OH)、甲酸甲脂(HCOOCH3)等。這裡也有一些長鏈的碳分子,如:氰基乙炔(HCCCN)[10]。

圖3:獵戶座KL星雲。圖片來源:NASA, ESA/Hubble [10]
圖4:(左)彗星67P/C-G以及(右)它的光譜。圖片來源:(左)ESA/Rosetta/NAVCAM [12](右)A. Bieler et al. (2015) [11]
 

從彗星67P/Churyumov-Gerasimenko (簡稱comet 67P/C-G,見圖4)近幾年的觀測資料中,看到了含量極高的氧分子(molecular oxygen, O2)。這讓天文學家們感到非常意外,氧分子在宇宙中很容易起反應、變成其它的分子。在彗星這麼樣一個容易揮發的環境中,能有高含量的氧分子存在,代表這些氧分子很有可能是在彗星形成的時候,已經存在周遭的環境中,並且冰封在彗星上 [11][12]。

天文化學所牽涉到的範圍很廣,橫跨了許多不同的領域。 整個宇宙就是一座「分子動物園」。天文學家觀察這些宇宙中的分子,來得知遙遠天體中具有什麼樣的環境。星際間也發現了許多有機分子,研究這些分子甚至能幫助我們理解生命的起源,這是現在天文化學研究的一個重點方向。

 

參考資料:

[1] sci-news / Astronomers Detect Organic Molecules in Starless and Prestellar Regions of Nearby Stellar Nurser

[2] ALMA / Forest of Molecular Signals in Star Forming Galaxy

[3] 雪霸國家公園 / 鮭魚與水質

[4] EAS / The molecular journey from stars to disks

[5] wiki / Molecular cloud

[6] COSMOS / Molecular Hydrogen

[7] NRAO / The Cold Case of Carbon Monoxide

[8] wiki / Ammonia

[9] Ho, P. T. P.; Townes, C. H., Interstellar ammonia, Annual Rev. Astron. Astrophys., Vol. 21, p. 239-270 (1983)

[10] wiki / Kleinmann–Low Nebula

[11] ESA / Molecular oxygen detected at comet 67P/C-G - ROSINA mass spectrum

[12] wiki / 67P/Churyumov–Gerasimenko

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