2009年10月4日

從星際塵埃中窺見宇宙萬千

作者/呂聖元(任職中研院天文所)

浩瀚宇宙幾乎空無一物,如何研究其中的化學反應呢?
天文化學家著眼於貌似毫不起眼的星際塵埃,發現它們所扮演的關鍵角色。

若是談到天文物理,大家可能很容易想像這類學門研究的對象、主題、或者是其中的關聯。但若是提到天文化學,聽起來便顯得陌生許多。究竟天文與化學的關係在哪裡?這篇短文的目的便是希望藉這個機會,向讀者介紹這個直覺上冷門的領域。

天文學研究小至恆星、行星,大至星系及宇宙等天體之起源、形成與演化的科學。化學是研究各種物質的組成、性質、或其形成與消滅過程的學問。當天文學研究的對象逐漸複雜,特別是超越了基本粒子、核子與原子而達到分子的層次時,對化學方面知識與研究的需要,就顯得很自然了。

在天文領域中,有關化學方面的研究其實發跡很早,許多天文現象與化學都密切相關。隨著天文知識累積、研究主題多樣化,天文化學逐漸奠基,並在近二十年發展為一支重要的子學門。這樣的演變,或許可由史密松天文台(Smithsonian Astrophysical Observatory, SAO)與美國航太總署所共同經營之天文資料檢索系統(SAO/NASA Astrophysics Data System, ADS)的紀錄為例,看出端倪。

在這個彙整了主要天文學術期刊的資料庫中,若以astrochemistry(天文化學)為關鍵字搜尋,在1970 年之前的論文僅一篇,1970年代有5篇,1980年代有32篇,1990年代增到93篇。自2000年至2009年,雖仍未滿十年,相關論文總數卻已經累積到了1130 篇!當然,這樣的搜尋並不能將所有與化學相關的論文完全檢索出來,天文期刊與論文的總數本身也在逐年地成長。但這最後十年爆炸性的數字,的確顯示天文化學這個子學門,在整個天文研究領域中的蓬勃發展。

事實上,天文與化學兩者的關係相當緊密。化學研究的基本組成要素——原子,是透過天文物理的機制(主要是恆星內部的核融合反應)所產生。若是沒有各式各樣原子的存在,宇宙中的化學或許就會變得無趣許多。反過來說,化學反應、過程與變化會控制著物質的表現,從而對天文物理研究的種種天體,有關鍵性的影響。因此,可以說「天文化學」其實扮演了協調著整個宇宙,從最初的大爆炸到今日,從星系、星際物質、恆星、行星乃至衛星的重要角色。

多樣的研究方式

廣義來說,天文化學的研究對象廣泛,研究方法也很多樣化。從一般所認知的天文觀測,太空探測與採樣,到地面實驗室中的化學反應模擬,與純粹的理論及數值計算,都包括在內。傳統的天文觀測包含了利用各種觀測技術,對遙遠的天體進行偵測。主要是透過電磁波為媒介,從由肉眼直接可視的光學波段,逐漸擴展到肉眼無法看見,但同樣是電磁波的無線電、X 光、紅外光、乃至毫米、次毫米等各個波段。太空探測與採樣則是直接對有興趣的天體與其組成物質,進行收集與分析。受限於人類能到達的範圍,這樣的方式主要集中於相對而言是「觸手可及」的太陽系內天體,其中,被動的樣本,好比由流星雨所帶來的各種隕石遺跡,主動出擊的任務,則好比早年美國航太總署先鋒號(Pioneer)系列對太陽系所進行的探測、阿波羅登月任務,乃至後來各國針對彗星與星際塵埃的攔截與成分分析,甚至是未來可能成行的登陸火星計畫。

除了對天體進行各種近距離或遠距離的探測,研究學者也努力嘗試,在地球上模擬可能在天體中發生的各式化學反應與現象。一是在實驗室中盡可能地塑建出太空中的物理環境,進而測量系統內的物質性質、組成或化學反應。一是建構在已有的認知上,透過理論計算特定化學反應發生的可能性與產物,或以數值計算一包含多種反應物的系統內,各化學反應生成物的多寡與變化。【更詳細的內容,請參閱第478期科學月刊】

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