「旅行者」：飛離太陽系，迎來新科學

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2012年8月，美國宇航局的「旅行者」1號探測器成了第一個進入星際空間的人造物體，深入到了銀河系 中恆星間廣袤的區域里。星際空間曾一度被認為是真空的，但現在看起來星際介質有可能會成為認識暗物質、恆星形成和生命起源的關鍵。

恆星形成

通過研究星際介質中存在什麼物質，科學家希望能更多地了解恆星是如何誕生的。空間之所以被稱為「空間」是有原因的。恆星之間的區域空得令人難以置信，比在地球上所能製造出的任何真空還要更空。天文學家稱它們為星際介質。雖然可能極為彌散，但星際介質至少佔據了銀河系可見物質質量的10％。恆星就嵌在星際介質中，卻並不與之隔絕。恆星就誕生於星際介質中，它就像一個生態系統。

獵戶星雲（M42）堪稱恆星形成的經典教科書。從大質量年輕恆星到正在產星的氣體住，應有盡有。「旅行者」探測器對星際介質的直接測量將有助於科學家們進一步了解恆星形成和演化。版權：NASA/ESA。

通過觀測與恆星形成有關聯的紫外輻射，其被稱為萊曼α發射，「旅行者」對恆星的誕生進行了研究。到目前為止，天文學家還無法觀測到我們銀河系中的這些輻射，因為太陽的輻射將它們掩蓋了。但是現在，「旅行者」正處於日球層的邊緣，在那裡太陽風的影響會因星際介質而停止；它們由此可以探測到銀河系中此前未知的恆星形成區。

在恆星的整個生命中，它們會通過核聚變過程把較輕的元素轉變成較重的。之後，當恆星死亡時，它們會把這些重元素播撒發回星際介質中。這一物質交換最終決定了星系中氣體的消耗速度。

研究這個循環往複的過程能讓我們更多地了解恆星演化。大質量恆星的死亡可以為星系提供諸如碳、氧和鐵等元素，於是隨著時間的推移，這些元素的丰度就會改變。

隨著這一增豐過程的推進，可以播撒出富碳分子和塵埃顆粒的恆星數目則會不斷減小。鑒於人類是一種基於碳的生命形式，這意味著可用於類似我們這樣的生命的原材料也正在逐漸減少。

這幅照片顯示了超新星1987A周圍的整個區域，其最顯眼的特徵是一個由數十個亮點所構成的環形結構。它是由超新星爆炸的激波與此前拋射出的物質發生碰撞加熱所致。版權：NASA/ESA。

「旅行者」2號還研究了大質量恆星在其生命結束時所發生的超新星爆炸。1987年當超新星SN1987A在距離地球約163000光年的蜘蛛星雲中發生爆炸時，「旅行者」2號迅速轉身對其進行了仔細的觀測。從那時起，進一步的觀測表明，其爆炸的遺迹一直在不斷地演化。不僅被炸出的物質在膨脹和冷卻，塵埃和分子的質量也在顯著增長。換句話說，這顆超新星的增豐過程正在進行中。

研究恆星是如何從星際介質中形成的還能告訴我們，相對於宇宙中的其他恆星系統，太陽和太陽系有多特殊。最新的觀測結果表明，星際介質中存在著比我們此前所認為的更多的低質量恆星。銀河系中不僅能擁有數千億顆恆星，還存在著數目幾乎與之相當的褐矮星——質量比恆星小、但比行星大的天體——以及行星質量的天體。

生命起源

生命不可能在星際空間中形成，但這並不意味著在那裡不可能存在生命。

地球上的生命是否有可能起源自星際空間？雖然可能性不大，但這並不妨礙星際介質成為一個重要的研究內容，因為在其中會發生許多有趣的天體化學反應。

在早於地球形成的小行星隕石中，已經發現了構成脫氧核糖核酸（DNA）的要素氨基酸。當然，這僅僅是生命的一塊積木，距離複雜且功能齊全的細胞還有十萬八千里。生命不可能在沒有水和能量的條件下起源。就像把一堆切碎的蔬菜扔到地上，然後期待它會變成蔬菜湯一樣。

然而，這些生命的要素似乎無處不在，因此有很多天體生物學家對在宇宙中其他地方能尋找到生物抱有極大的期望。如果這些要素最終落到了一顆溫暖且有水的行星上，那麼就可能觸發生命的起源。

所有這一切實際上都在告訴我們，碳是一種非常有利於化學反應並構建複雜分子的元素。如果冰冷且空曠的星際空間正在製造氨基酸，那麼同樣的化學過程一定會在一顆溫暖且擁有海洋的行星中發生。

如果生命無法在星際介質中形成，那麼是否有可能它們先在某顆行星上形成，然後又脫離了那顆行星，接著在星際空間中穿行，最後落到了另一顆行星上？這個想法被稱為胚種論，很多人對此表示懷疑。

人們都傾向於認為外星文明會存在於某顆行星的表面，因為我們自身就是如此。但是如果他們擁有了航行於恆星之間的能力，那麼星際空間就成了探測他們所發出無線電信號的理想場所。版權：ESO/L. Cal?ada。

然而，星際空間也可以是聆聽外星文明信號的理想地點。到目前為止，我們一直專註於恆星系統，因為我們就位於這樣的一個系統中。但外星生命也許並不局限於此。如果外星文明已超越了自己原本所在的行星，可以在恆星間航行，那也許會探測到來自星際空間的信號。

與地球的磁場可以防禦來自太陽的危險輻射相似，太陽和星際介質之間的相互作用也在屏蔽來自銀河系其他地方的有害輻射上發揮了重要作用。畢竟，有兩個磁場來保護總比一個保險。位於太陽磁層與星際空間之間邊界處的「旅行者」探測器正處於一個得天獨厚的位置，可以對該區域進行測量。

現在，位於日球層之外的「旅行者」1號已探測到宇宙射線數目的顯著上升。通過比較內外的輻射水平，可以了解日球層的保護效力有多強。這些數據將幫助天文學家和天體生物學家搞清楚在何種程度上這一雙重保護的想法是正確的，以及它們對於在其他恆星周圍尋找生命會有什麼樣的啟示。

暗物質

可見光下銀河（背景）和γ射線下銀心（前景）的合成圖像。觀測數據顯示，在銀河系中心存在超出預期的γ射線，它們可能是暗物質粒子湮滅的產物。但是，要想確認這一點，就必須對星際介質有一個更好的認識，因為在宇宙線的轟擊下它們也會發出γ射線。版權：NASA/GSFC/A. Mellinger/T. Linden。

有關這個最難以捉摸的宇宙現象，飛離太陽系的冒險又能告訴我們些什麼呢？

氣體和塵埃似乎並不是唯一存在於恆星之間的物質。銀河系中沒有足夠的發光物質來提供維繫它所需的引力，所以有人提出在我們周圍——也包括在星際空間中——潛伏著一些看不見的物質，即暗物質。

天文學家們起初認為暗物質只不過是太過暗弱而無法被看見的普通天體，例如 褐矮星、流浪行星和恆星質量黑洞等。它們被統稱為暈族大質量緻密天體。

然而，使用其他的手段應該能探測到它們，但目前仍沒有找到足量的這些天體。現在，主導的現代觀點認為暗物質由弱相互作用大質量粒子構成，它們是一種超越粒子物理學標準模型的新粒子。但到目前為止還沒有捕捉到一個弱相互作用大質量粒子，甚至也無法證明它們真的存在。然而，研究星際介質將有助於此。

銀河系中充滿了宇宙線，它們是由諸如超新星爆發這樣的毀滅性事件所產生的高能粒子。當宇宙線轟擊星際塵埃和氣體時，會發射出大量的γ射線。天文學家測量發現，銀河系中的γ射線超出了預期，尤其是在銀河系的中心附近。這些輻射有可能是弱相互作用大質量粒子湮滅的產物，因為它們碰撞時會產生γ射線。當然，這一切都首先要求對星際介質有一個很好的認識。

不幸的是，「旅行者」號發射於弱相互作用大質量粒子這個想法被提出之前。不過，至少在理論上，湮滅的弱相互作用大質量粒子應該會產生出可以被它們探測到的粒子。

對暗物質的一些解釋還會要求存在一種暗光子。提出於2008年，這種假想的粒子承載著暗物質間的相互作用力，就像普通的光子承載著電磁力。2015年，科學家們使用「旅行者」的數據來尋找星際介質中暗光子的磁場信號。雖然並沒有找到它們，但對它們的特性給出了一些限定。

此後，2016年，天文學家研究了超緻密迷你暗物質暈對星系的影響。這些暈是密度極高的暗物質團塊。計算髮現，如果一個星系中僅有1%的暗物質是以超緻密迷你暗物質暈的形式存在的，那麼暗物質湮滅所釋放的熱量就足以拋射出它周圍星際介質中的所有氣體。這會使得恆星無法在該迷你暈周圍約3200光年的範圍內形成。所以，在星際介質中尋找這些空腔是另一種了解暗物質分布的方式。

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