整个宇宙都是我的动物园？欢迎来到天体化学的思维领域。

作者|许诗颖本文转载自案例科学期刊《整个宇宙，都是我的动物园——天文化学》。

整个宇宙就像一个“分子动物园”。通过研究分子光谱，我们可以知道这种分子的分布、温度等性质。而且因为不同的分子有不同的“习性”，我们也可以知道孕育这些分子的星际环境。

要了解星际环境，可以从分子入手！图/ESA/哈勃，CC 4.0

天文化学是什么？

天文学是研究宇宙中天体的自然科学。除了普通大众熟知的天体物理学，宇宙还有很多方面，其中一个方面就是本文的主题：天体化学。

同样是研究“物质”的科学，但物理和化学观察世界的方式不同。天文学主要研究宇宙中“不同天体环境中的原子、分子和离子”，研究它们的形成、分布、相互作用或与环境的相互作用。(接下来，为了方便起见，我们将统称为分子、离子等。作为分子。)

虽然天文学是最早的科学之一，但天体化学这门学科直到20世纪中叶才开始出现。原因很简单：因为分子是看不见的！恒星大到你用望远镜都看不清楚，更别说是你眼前看不到的分子了。

因此，要研究宇宙中的分子，必须依靠特殊的技术；其中，最重要的技术之一就是光谱学。

研究宇宙中的分子，必须依靠“光谱学”。图//envato elements光谱是光按波长或频率排列的图案，像“彩虹”就是光谱，是太阳光按不同频率分离的图案。除了可见光，还有许多波段的光是肉眼看不见的，如无线电波、红外线、紫外线、X射线等。

每个分子都有自己的光谱。在地球上，如果我们想知道一个分子的光谱是什么样子，除了实验测量，我们大多是用计算机进行精确的模拟计算来预测。分子的光谱就像他们的“指纹”，就像警察会将采集到的指纹与数据库进行比对，从而知道是谁留下了这个指纹，而天文学家会将观测到的光谱与数据库进行比对，从而知道哪些分子在遥远的恒星的另一边，甚至是它们的含量、温度等。(图一)。

要了解更多关于天文学家如何使用光谱学的信息，请参考“拆开光：天文学中的光谱”。

银河系中心的光谱可以用来分析许多不同的分子，包括它们的含量、温度、分布等等。图/ESO/J. Emerson/Vista，Alma (ESO/Naoj/NRAO)，Ando等人鸣谢：剑桥天文测量单位[2]

为什么宇宙是「分子动物园」？

动物往往能反映当地的环境。比如他们看到河马，就知道那边有水有草。看到大马哈鱼就知道有一条溪水水温很低[3]。宇宙作为分子动物园也是如此。观察分子的分布和含量也可以帮助我们推回物理环境。目前，我们已经观测到大约200种来自星际空间的分子。这里是一些常见的星际分子。

宇宙中有很多不同的分子，分布在不同的地方(示意图)。图/EAS2020 [4]

氢分子（molecular hydrogen, H2）

宇宙中最丰富的分子也是“分子云”的主要成分。分子云中每立方厘米约有10000个氢分子(104cm-3)。

分子云是恒星和行星诞生的地方，所以了解氢分子的分布可以帮助我们研究恒星的形成。同时，氢分子可以与更重的元素发生反应，更重的元素是许多化学反应的催化剂，产生一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氰基(CN)等其他分子。

氢分子对于天体化学非常重要，可惜在平均温度只有零下200度的分子云中几乎无法观测到(因为是对称分子，有兴趣的读者可以详细了解一下。)[5][6]

00-1010一氧化碳分布在恒星之间的低温高密度区域。它是星际空间中第二丰富的分子。

与氢分子相比，一氧化碳容易观测过多，所以天文学家从一个观测更容易

氧化碳的图像，来得知分子云的分布。由于分子云几乎没办法用可见光直接观测，早期的科学家根本不知道我们周边有这么多分子云的存在，直到观测了一氧化碳的图像之后才大开眼界。 ^[5][6][7]

氨（ammonia, NH₃）

氨也是很容易被观测到分子。历史上第一个观测到的分子是就是氨。氨有许多谱线，而这些谱线的强度对于环境变化非常敏感，能对应到很多种不同的星际环境。对氨的观测能让我们更精确地回推出该处的环境状况 ^[8][9]。

宇宙中的环境变化太大了，不同的环境下化学反应可能会有很大的差异。宇宙间的发散星际云（diffuse cloud）、密集分子云（dense cloud）、恆星形成的热原恆星核（hot core）等这些已经侦测到大量分子的区域，温度分布从 10 K～1000 K（约摄氏 -200 度到 +800 度）、密度从每立方公分一百颗粒子到十兆颗粒子（10²cm^-3～10¹³cm^-3）都有！

这里接着再介绍几种分子含量高的星际环境。

恆星形成区域（star-forming region）

分子云内部高密度、正在形成恆星的地方。猎户座 KL 星云（Orion KL）是猎户座大分子云中，恆星形成最活跃的区域。在这里有许多的「複杂饱和有机分子」出现，如：甲醇（CH₃OH）、甲酸甲脂（HCOOCH₃）等，也有一些长链的碳分子，如：氰基乙炔（HCCCN）^[10]。

彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko （comet 67P/C-G）

在近几年的观测资料中，科学家在这里看到了含量极高的氧分子（molecular oxygen, O₂），这让他们感到非常意外。因为氧分子在宇宙中很容易起反应、变成其它的分子，而在彗星这么样一个容易挥发的环境中，却能有高含量的氧分子存在，代表这些氧分子很有可能是在彗星形成的时候，就已经存在周遭的环境中，并且冰封在彗星上 ^[11][12]。

天文化学所牵涉到的範围很广，横跨了许多不同的领域。 整个宇宙就是一座「分子动物园」。天文学家观察这些宇宙中的分子，来得知遥远天体中具有什么样的环境。星际间也发现了许多有机分子，研究这些分子甚至能帮助我们理解生命的起源，这是现在天文化学研究的一个重点方向。

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