现代科技综述知识文库：星际分子

1、现代科技综述系列星际分子科技是人类区别于动物的重要文明之一，是人类对自然规律研究和利用的学科。本文提供对科技基本概念“星际分子”的解读，以供大家了解。星际分子广泛存在于各种天体环境中的分子，包括无机分子、有机分子及离子分子和自由基。星际分子的大量发现是近30多年来电磁辐射观测特别是射电和红外技术发展的结果，它为宇宙现象的研究开辟了分子天文这一崭新的领域。星际分子最初由光学发现，这就是1937年杜哈姆(TJrDunham)等用威尔逊山天文台刚刚问世的折轴摄谱仪测到的CH和CH+，以及1940年由梦凯勒(AMckeller)预言和亚当斯(WSAdams)测到的CN。此后即是20世纪60年代射电波段

2、的大量发现，其中首先是羟基。1948年什克洛夫斯基(ISShklovskii)预言了OH、CH等分子转动谱的A双重分量间跃迁产生的谱线在星际空间的存在，并在1955年得到汤斯(CHTownes)计算的支持。1959年埃伦施泰因(GEhrenstein)等在实验室相当精确地测定了OH基态两条主线的频率各为166546010MHz，和166734003MHz，并在1963年10月由温雷泊(SWeinreb)等用密尔斯顿(Millstone)坡的84ft抛物面天线和自相关辐射仪，在CasA测到。1964年巴尔顿(JGBolton)等在精确计算的基础上，在地面尚无实验测定的情况下，测到了OH基态的两条

3、子线：172056MHz和161220MHz。1965年韦弗(HWeaver)等使用哈特克里(Hat Creek)85ft天线及可调参量放大器及噪声温度为130K的接收系统，在W3的H 区测到了OH的Maser1665MHz谱线，这就是人类测到的第一个天体脉泽。以上所述分子均属于基，真正的分子在星际空间首次探测到的是NH3。这是1968年邱格(ACCeung)等用哈特克里24ft望远镜测到的。次年斯奈德(LESnyder)等测到了另一个分子H2CO的跃过的超精细结构谱线(482966MHz)，所用的是格林班克(Green Bank)的140ft天线。在这一年，邱格等还用发现NH3分子的哈特克里

4、24ft望远镜，在Orion和W49中，测到了水分子的135cm谱线。这些分子具有不同的位形和结构：它们与OH脉泽，均为研究分子区域的重要工具。从这时候开始，人们不只是搜寻分子，而且运用分子及其辐射，对星际介质及天体运动进行研究。特别是1970年，彭泽亚斯(AAPenzias)和威尔逊(RWWilson)用基特峰天文台的36ft望远镜，在115GHz的频率上发现了CO分子。由于CNO和S等重原子中任何两种构成的双原子分子，其基态转动谱均落在50150GHz频段，COJ=10谱线的测到预示星际分子发现进入高峰，CS、SO、NS、HCN及HCO+等等，相继在70年代初测到，由于CO等分子的丰度和共

5、存的同位素，由于毫米波对星际尘埃和气体的穿透能力，对天体过程及其研究有重要作用，分子天体物理学的核心部分毫米波分子天文学应运而生。70年代更多的大型射电望远镜及高灵敏度接收设备投入使用，使星际分子探测更加广泛进行。无选择性的大频率范围的巡天先后完成多次。例如约翰逊(LEBJohansson)等1984年发表的对Orion和IRC+10216的7291GHz的搜寻；萨顿(ECSuttor)等1985年发表的对Orion所作的215247GHz搜寻，卡明斯(SECummis)等1986年对SgrB2的70150GHz的搜寻，以及布莱克(GABlake)等同期对Orion247263GHz的搜寻及海

6、部等1987年对TMC1的2224Hz和3650GHz的搜寻等。每次这样的巡测，均获得几百条谱线，当时证认率在90%以上。均有新分子辐射、新分子甚至分子序列发现。未获证认的，即U一谱线，至今还有，人们或以更高的灵敏度探测，或以量子结构的实验和计算，并结合宇宙中丰度和化学过程来进一步识别它们。除了在银河系的不同区域，在星系中也发现了星际分子1971年维拉切夫(KWeliachev)在旋涡星系NGC253和不规则星系M82中测到了OH，其他具有较强辐射的银河系分子如CO、H2、CH、CS、HN3、HCO+HCN等也均已测到。并且观测到了河外OH、H2O、H2CO及CH超脉泽源。在此期间，红外、光学

7、和紫外探测技术也有极大发展，测到了多种非射电波段的分子辐射。例如CH4至1978年由浩尔(DNBHall)等用富利叶变换谱仪及梅亚尔(Mayall)4M折轴系统，在33um上从IRC+10216中测到。在同一源区，贝茨(ALBetz)1981年用基特峰15m太阳望远镜在28THz上测得C2H4；戈德哈勃(DMGoldhaber)等1984年用莫纳克亚天文台的3m红外望远镜在275THz上测到SiH4。C2S2由黎德韦(STRidgway)等1976年在IRC+10216中测到后，1989年由莱思(JHLacy)等在星际云CL2591、W3IRS5和OMCIRC2中发现。光学上又发现了C2等分子

8、。1977年赛韦格(BDSavage)等还用哥白尼紫外望远镜对H2进行了巡天，来直接获取发射区域的气体密度分布。截止于1992年1月，已发现的星际分子列于表中。“*”表示相应分子还只在拱星包层中测到；“?”表示相应分子的证认还未确定。由表可见，即使不包括暂时认定的7种分子，已发现分子也达95种，这确实是惊人的。这些分子几何形状、对称性均不同，原子数最多达13。它们中有常见分子，也有极不稳定的分子。按化学性质分类大致如表所列。各类分子所占比例约为：无机分子33%，自由基20%，离子分子10%，有机分子37%。发现区域包括银心、巨分子云、冷暗云、弥散云及拱星包层与河外星系。说明在从前星系到流失质量

9、包层这样极其不同的天体环境中，均有分子存在。有些分子在地球上还末找到，甚至在实验室也难以制成，有的分子还未定出合适名称。这类分子即非地球分子或奇异分子，它们还往往是天文学的意外发现。例如1970年泊尔(DBuhl)等在巡测HCN分子时意外地测的U89190GHz线，1974年湍楠(BETurner)发现的U93174GHz线，均是几年后实验测定分别为HCO+和N2H+的转动谱的。与这些分子共存的，还有各种同位素分子，其发现总数仅略少于主元素分子，每种分子。一般均有多种跃迁发现，如今测到的谱线已有几千条，它们或为吸收，或为发射，连同两千多个星际及恒星脉泽源的辐射，构成了庞大的谱线体系，广泛应用于

10、天文研究。分子谱线的丰富特征，带来了它们存在环境的各种讯息，使人类对宇宙现象的认识，达到了原子谱线和连续辐射所不能及的境地，同时揭示了分子在天体过程中的特有作用，深化了对天体演变过程的认识。由于搜寻频段及天区的覆盖，新分子或其辐射探测就更困难，这是70年代星际分子发现高潮后出现的耽心。星际分子1969年及其以前发现7种，19701980年这11年中发现46种，而19811991年新发现的比前一个11年有增无减，这确实是谁也不能不感到意外的。星际分子探测及其研究的每一步深入，都对应着技术的进步。目前，地面和空间设备在不断改善，亚毫米波段的观测将使探测区域由冷而密转向热而密；空间致冷红外望远镜的建

11、造和使用将强化10600m的窗口作用；光学、紫外现代技术的应用将使分子吸收线成为厚层分子区域的重要探针，在这些革新促进和深化人们对于介质、恒星和星系的理介的同时，事实还会再提醒人们：星际分子的发现常常是超出期望的。表1 已发现的星际分子 。【参考文献】： 1 AdamsWS. Ap. J.,1941,93:11 23 2 Weinreb S.Barrett Alt, Meeks M L. Nature, 1963,200:829 831 3 Cheung A C,Rank D M,et al. Physics Rev. Letters, 1968,21:17011705 4 Wilson R

12、W. Ap. J. (Letters),1970,116:L43L44 5 Turner BE.Zuckerman B,et al.Ap.J. (Letters) ,1975,198: L125L128 6 Andrew B H. Interstellar Molecules, D. Reidel publishing Company,1980,87 7 Kaifu N,Suzuki H,et al. Ap. JA. (Letters),1987,317:L111 L114 8 Li S,Moncrieff D,et al. Chem. phys. Letters,1988,151:403 408