在我们生活的宇宙中，分子 无处不在。它们在恒星、行星和生命形成的物理过程中扮演着至关重要的角色。在20世纪60年代初期，大多数天文学家认为星际气体几乎全部是由单个原子组成的。被观测到的只有CN、CH、CH+和OH这少数几种简单的分子，那时人们认为氢分子以及更大的分子会轻被紫外线星光轻易的破坏。星际星云中的粒子密度虽然高于周围空间，但其实仍然是很低，因此按照推测，任何幸存的分子都会因为太过于稀薄而无法被检测到。
○ 当一个相对致密的气体区域在自身的引力作用下开始坍缩时，就会形成恒星。随着气体不断地被压缩，它会逐渐的加热，直到其内部的原子核获得足够高的能量来抵抗它们之间的相互排斥，并开始融合。这些核反应产生的大量的热会形成一个足以抵抗引力的压力，并最终形成了今天我们在夜空中看到的闪烁的稳定恒星。| 图片来源：Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
到了1968年，物理学家Charles Townes与同事将一台射电望远镜指向了在射手座B2的分子云，他们认为如果氢分子真如一些科学家所提出的那样存在于星际空间，那么其他分子或许也同样如此。当研究人员首先发现了氨分子、接着是水分子时，这一预感得到了证实。自20世纪70年代以来，世界各地的科研人员进行了一系列的探测，已经确定了存在于星际介质中约200种不同类型的分子。
这些发现意味着每立方厘米的星际云中至少含有1000个分子，而不是之前认为的每立方厘米1~10个原子。同时，分子云中含有大量的星际尘埃一事也变得清晰，这些星际尘埃是更早的恒星爆炸后留下的物质粒子，它们能够有效地阻隔紫外线的辐射。这种额外的保护和更高的密度为这样一个想法提供了支持——即
当大量的气体在引力的作用下而坍缩时，就会形成恒星。然而，这种恒星形成的分子基础暴露了自身的一些问题。在低密度的空间里，原子若是要结合形成分子，那么它们需要在远距离上产生相互吸引。换句话说，离子会比中性原子能更容易形成分子。那么离子从哪里来呢？当宇宙射线与原子撞击时会形成离子-电子对，从而就有了离子。在分子云内形成分子的另一种方式，是原子依附在尘埃颗粒的表面并随之迁移，随着时间的推移聚集在一起从而形成新的分子。
但是这并没有解决分子如何才能逃脱紫外线星光的破坏而幸存下去的问题，这个问题曾让理论家无比苦恼。直到20世纪80年代，有一个人在解决这个问题上脱颖而出，她所进行的研究彻底改变了我们对宇宙化学的理解，那就是Ewine van Dishoeck。她证明了尽管有些分子确实会被分解，但其他一些分子，比如水和一氧化碳（CO）则会通过选择性地吸收分子云外层的破坏性紫外线辐射，从而对内部进行“自我屏蔽”。因此在自我屏蔽和周围尘埃的吸收阻隔下，分子云中更深处的分子得以继续形成恒星。
○ Ewine van Dishoeck。| 图片来源：Henrik Sandsjö/Leiden University
在进行这项研究时，Van Dishoeck将CO的情况作为参考对象，在空间中CO比氢气少得多，但能更有效地释放辐 射。她计算出一个分子在特定的云密度内，被气体中另一个分子击中后因旋转、振动或电子跃迁而被激发的概率。在将星光对分子的破坏以及对气体体积造成的影响考虑在内之后，她得到的概率结果与用射电望远镜观测到的辐射强度（在分子被激发时释放的辐射）高度匹配。
虽然van Dishoeck的学术生涯是以理论学家的身份开始的，但她的研究却逐渐涉及到越来越的观测数据。她对一系列水的红外线辐射进行了分析。这些观测数据均来自更成熟、更复杂的太空望远镜：原因在于尽管水在星际空间中非常少见，但它在恒星形成区域却含量丰富。然而，水所释放的辐射几乎会完全地被地球大气吸收，因此若要对它们进行研究，最好的办法就是依赖于太空望远镜。
1995年，欧洲航天局发射了红外线太空天文台，科学家首次在红外波段一睹了分子世界的丰富多彩。Van Dishoeck用短波光谱仪来研究尘埃颗粒表面的水的形成，她发现在密集的分子云中，尘埃颗粒完全被水冰和一氧化碳冰所覆盖。
到了2003年，她又转向美国宇航局的斯皮策太空望远镜，用它观测到的数据来研究相对较轻的、与我们的太阳相似的恒星中发生的化学反应（在此之前仅限于较重的物体）。在仍处于形成阶段的恒星周围是旋转的尘埃盘，Van Dishoeck和她的同事在盘中发现了水和其他分子。这些尘埃盘为恒星的形成提供了原材料，并且也是新行星的潜在诞生之地。
2009年，欧洲航天局发射了更强大的远红外/亚毫米望远镜——赫歇尔空间天文台，对van Dishoeck的研究提供了更大的助益。在赫歇尔的帮助下，她还对“原行星盘”进行了研究。在原行星盘中，水会与尘埃颗粒粘合在一起而最终变成固体，从而形成非常年轻的行星或彗星等天体，这些天体被看作是将水输送到行星的“搬运工”。
○ 年轻恒星TW Hydrae周围的冰原行星盘的艺术构想图。下：用ESA的赫歇尔太空天文台上的HIFI光谱仪获得的恒星盘光谱。图片来源：ESA / NASA / JPL-Caltech / M.Hogerheijde（莱顿天文台）
2011年，van Dishoeck和同事报告了一项测量结果，他们测量了从长蛇座TW（TW Hydrae，一颗很近的年轻恒星）恒星盘散发的冷水蒸气。根据赫歇尔所记录的红外信号的强度，他们估计恒星盘中释放这些水蒸气的冰库的质量，是地球上水的质量的几千倍。
这样的观测结果已经十分惊艳了。然而，van Dishoeck和其他科学家很快意识到，若要从空间上对恒星形成的区域进行解析，还需要更大口径的望远镜。而解决这一难题的办法是建立一个巨大的地基天文台——例如阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜（ALMA）。ALMA位于智利，在海拔5000米高的高处，比地球大气中的大部分水的位置都高。它由50个天线组成、每个直径约12米，当它们被连接在一起组成不同阵列时，可产生如同一个直径为16公里的望远镜的效果。
○ ALMA。Ewine van Dishoeck 积极的参与到ALMA天文台的建设和使用中。| 图片来源：ESO/B. Tafreshi
通过ALMA，van Dishoeck和她的同事在银河系中正在形成行星系统的新恒星周围观测到了原始星盘。他们已得到了一些非常棒的尘埃环结构的图像，或许能将他们带向这些恒星盘内的单个行星。除了对它们进行化学和物理学的研究之外，研究人员也在开展生物学方面的研究。
去年，van Dishoeck的小组和一个意大利/西班牙小组通过ALMA发现了来自有机分子异氰酸甲酯的一些发射谱线。这种原始生物分子位于蛇夫座星座（距离我们约400光年远）中几颗非常年轻的恒星周围的尘埃和气体中。由于它与多肽和氨基酸的合成相关，因此研究人员认为这种分子或许有助于天文学家研究地球上的生命起源。
不过，这种乐观的期待值得谨慎。因为到目前为止，尽管科学家已进行了大量搜索，但仍没有在恒星形成区域中发现任何氨基酸本身的明确证据。
○ Ewine van Dishoeck和她的同事利用ALMA望远镜在一个新诞生的恒星周围探测到了异氰酸甲酯。| 图片来源：ESO/Digitized Sky Survey 2/L. CalçadaImage
许多在太空中发现的新分子需要得到实验室工作的支持，这样研究人员就能知道这些分子发射或吸收电磁辐射的准确波长，还能掌握与分子碰撞特性有关的详细信息等等。在一些最新的研究中，实验证明了异氰酸甲酯可以在非常寒冷的条件下形成冰粒子，就如同星际空间中的异氰酸甲酯那样。
这些实验都是在van Dishoeck所在的雷顿大学进行的，在20世纪70年代，实验天文化学家Mayo Greenberg在那里建立了一个可以进行这些研究的实验室。它是世界上为数不多的进行该类实验的实验室之一，它能提供近似于星际空间低密度、低温度且稳定的环境。不过实验室所产生的真空仍比太空中的密度要高出许多个数量级，但这一差距可通过一些技巧来弥补，例如将离子嵌入中性流体中来延长离子的寿命。
虽然van Dishoeck本人并不从事实验性的工作，但慕尼黑马克斯普朗克宇宙物理研究所的天体物理学家Reinhard Genzel说，van Dishoeck对这项工作的熟悉程度使她能够对星际化学做出更加复杂的预测。
Van Dishoeck揭示了星际云的生命周期及恒星和行星的形成，由于在观测、理论和实验天体化学方面做出的多项杰出贡献，她被授予了2018年度的卡弗里天体物理奖（Kavli Prize in Astrophysics）。
撰文：Edwin Cartlidge
编译：不二北斗
参考链接：
http://kavliprize.org/prizes-and-laureates/prizes/2018-kavli-prize-astrophysics
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