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＞。
●「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！
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]。
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：
[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
[6] COSMOS / Molecular Hydrogen
[7] NRAO / The Cold Case of Carbon Monoxide
[8] wiki / Ammonia
[10] wiki / Kleinmann–Low Nebula
[11] ESA / Molecular oxygen detected at comet 67P/C-G - ROSINA mass spectrum
[12] wiki / 67P/Churyumov–Gerasimenko