「天体化学」是一门什么样的学科？

说起“天体化学”，很多人可能会觉得它有点高深莫测，甚至有点像科幻小说里的名词。但实际上，它是一门非常踏实、也非常迷人的学科，它试图解答我们最根本的疑问：宇宙是怎么开始的？我们，乃至构成我们身体的一切，又是从哪里来的？

简单来说，天体化学就是研究宇宙中的化学。但这可不是在实验室里摆弄试管那么简单。它研究的是在各种宇宙环境里，化学反应是如何发生的，物质是如何演变的，以及这些化学过程如何塑造了我们今天看到的宇宙。

想象一下，我们仰望星空，看到璀璨的星辰，漂浮的星云，还有那遥远的星系。天体化学就像一个超级显微镜，让我们能“看”进这些宇宙深处，去探究那里的化学秘密。

它具体研究些什么呢？

元素的起源： 宇宙诞生于一次大爆炸，最初只有最简单的元素——氢和氦。那我们今天看到的碳、氧、铁，以及构成生命所需的各种元素，它们是怎么诞生的呢？天体化学告诉我们，这些更重的元素是在恒星内部通过核聚变一点点“炼制”出来的。当大质量恒星走到生命尽头，发生超新星爆发时，这些元素就会被抛洒到宇宙空间中，成为下一代恒星和行星形成的基本材料。所以，我们常说“我们都是星星的孩子”，这句话在化学层面是完全成立的。

星际物质的化学： 恒星之间并不是空无一物的真空，而是充满了气体和尘埃，我们称之为“星际介质”。这些介质可不是惰性的，里面有着各种各样的分子，从最简单的氢分子（H₂）到复杂的有机分子，甚至还有一些我们熟悉的，比如水（H₂O）、一氧化碳（CO）、甲醛（HCHO）等等。天体化学家研究这些分子在星际介质中的形成、碰撞、演化，以及它们在恒星形成区（巨大的气体和尘埃云）所扮演的角色。

恒星的化学： 恒星的生命就是一场持续的化学反应——核聚变。天体化学研究恒星内部的温度、压力条件对核聚变的影响，以及各种元素是如何在恒星中合成和分布的。我们通过分析恒星发出的光，可以“读出”恒星的化学成分，了解它的年龄、演化阶段，甚至它吸收了多少来自周围星际介质的物质。

行星的形成与演化： 当新的恒星形成时，围绕它的尘埃和气体也会聚集起来，逐渐形成行星。天体化学在其中扮演了至关重要的角色。它研究行星形成过程中，哪些化学元素和分子会参与进来，它们是如何在行星盘中分离和富集的，以及这些化学成分如何影响行星的性质，比如是否存在大气、液态水，甚至生命。想想我们的太阳系，地球上之所以能孕育生命，离不开碳、氧、氮、氢等元素的恰当组合，以及水的存在。这些元素的来源和最初的分布，都是天体化学关注的重点。

彗星、小行星与陨石的化学： 这些太阳系中的“遗留物”，就像是宇宙早期化学的“时间胶囊”。它们保留着形成太阳系初期的化学信息。通过分析陨石的成分，我们可以了解太阳系早期物质的构成，甚至发现一些在地球上已经灭绝的矿物和有机物。彗星和小行星上发现的水和有机物，也为我们理解生命起源的物质基础提供了重要线索。

系外行星的化学： 随着我们观测能力的提高，我们已经发现了数千颗围绕其他恒星运行的行星。天体化学家们正试图通过分析这些系外行星的大气成分，来判断它们是否具备孕育生命的条件。比如，如果在一颗系外行星的大气中发现了氧气和甲烷同时存在，那可能就暗示着那里有某种“生物活动”在发生。

它为什么如此重要？

天体化学之所以迷人，不仅在于它能解答“我们是谁”这样的哲学问题，更在于它与我们息息相关。

理解生命起源： 地球上的生命是如何起源的？从最简单的无机物到复杂的有机分子，再到第一个原始细胞，这个过程充满了化学反应。天体化学的研究表明，构成生命的基本化学元素和有机分子，在宇宙中并非罕见，它们可能随着彗星或小行星来到地球，为生命的出现埋下了种子。

探索地外生命： 如果生命是在宇宙中普遍存在的现象，那么它们也需要遵循同样的化学规律。天体化学为我们寻找地外生命提供了理论基础和观测目标。通过分析其他行星的大气成分，寻找可能存在的生命信号，就是天体化学在现实中的重要应用。

认识宇宙的演化： 宇宙并非一成不变，它在不断地演化。恒星的生生死死，星际介质的化学变化，都推动着宇宙的进步。天体化学帮助我们构建宇宙的化学演化史，理解从简单的元素到复杂分子，再到恒星、星系，乃至我们今天所见宇宙的整个过程。

它是如何研究的？

天体化学家们可不是凭空想象。他们主要依靠以下几种手段：

望远镜观测： 从地面的射电望远镜到太空中的红外、可见光、紫外和X射线望远镜，它们都能捕捉到来自宇宙深处的光，这些光携带着关于物质成分、温度、密度等信息。通过分析光谱，我们可以识别出存在的化学元素和分子。

实验室模拟： 在地球上的实验室里，天体化学家会模拟宇宙中的极端环境，比如低温、低压、高辐射等，来研究各种化学反应的发生速率和产物。这有助于解释望远镜观测到的现象，并预测在某些环境下可能发生的化学过程。

理论计算和建模： 利用计算机模拟，科学家可以建立复杂的模型，来研究恒星内部的核聚变过程、星际云中的分子形成，以及行星盘的演化。这些模型可以帮助我们理解观测数据背后更深层次的化学机制。

总而言之，天体化学就像一位宇宙的化学侦探，它通过各种手段，在浩瀚的宇宙中寻找化学的线索，拼凑出宇宙从最初的简单物质，一步步演变成如今丰富多彩的物质世界，乃至可能孕育生命的漫长而壮丽的故事。这门学科不仅让我们认识到宇宙的奇妙，也让我们更深刻地理解了自身存在的意义。

网友意见

摘要

天体化学（Astrochemistry）是研究处在宇宙环境中的化学物质及其化学反应过程的交叉学科[1]。天体化学是一门年轻的学科，且极其交叉，涉及学科包括实验化学、计算化学、生物化学、光谱学、天体物理学、行星科学等众多传统学科[1]。

天体化学是一个正在发展壮大的领域。2012 年，在国际天文学联合会（IAU）的组织结构调整中，天体化学家们提出申请，希望将天体化学工作组（working group）升级为独立的委员会（conmission）[2]，并得到通过。目前天体化学委员会隶属于 IAU 第 8 学部[3]。2013 年，美国化学会（ACS）也决定在物理化学学部（physical chemistry division）下新增天体化学分部（astrochemistry subdivision）[1]。

发轫

一般认为，天体化学发轫于 20 世纪 60 年代[4]。彼时，射电天文学的发展，使人们用微波首次探测到了宇宙中的羟基自由基（1963 年[5]）、氨（1968 年[6]）、水和甲醛（1969 年[7,8]）。尽管早在 1940 年，McKellar 就指出过更早时期的可见光光谱中存在一些谱线应当来源于 CN 和 CH 分子[9]，但直到 60 年代的发现，才使人意识到，星际空间中不仅存在原子形态的各种元素，也存在与地球上相同的分子，不仅有无机分子，还有有机分子。甲醛是人类探测到的首个星际有机物[8]。

研究对象

天体化学的研究对象为宇宙环境中的化学物质及相互之间的反应过程。其中，化学过程尤其丰富且复杂的天文环境包括分子云（molecular cloud）、恒星形成区域（star-forming region）、原行星盘（protoplanetary disk）、系外行星系统[4]，以及太阳系中人类可以触达的行星（planet）、小行星（asteroid）、彗星（comet）和陨石（meteorite）等天体[10]。随着观测手段的进步，遥远的河外星系（如大麦哲伦云）中的复杂化学物质也可以得到研究[11,12]。

天体化学希望能够解答以下主要的问题[13]：

1. 星际空间中存在有哪些星际分子？这些分子最复杂可以复杂到何种程度？
2. 星际分子如何在宇宙环境中形成、毁灭、激发？
3. 星际分子的化学，会对天体的结构、动力学和演化产生怎样的影响？

天体化学研究最终希望能够回答以下的问题：生命在宇宙中是如何起源的[1]？构成生命所必须的化学物质，在恒星与行星形成过程中，如何一步步从星际空间中演化而来？

研究手段

天文观测

分子光谱为天体化学的主要天文观测手段。分子的转动、振动以及电子能级的跃迁，均能吸收/辐射特定频率的电磁波。转动光谱的波段主要集中在微波和毫米波–亚毫米波（波长从分米到 0.1 毫米量级，频率从 10 GHz 到 1 THz 量级），对应观测手段为射电天文学；振动光谱的波段主要集中在中红外（波长在 10 微米量级），对应观测手段为红外天文学；电子光谱的波段主要集中在可见光和紫外光（波长在 700–100 纳米之间），对应观测手段则为光学和紫外光天文学[13,14]。

转动光谱是分辨星际分子种类和丰度的最主要手段。通过分子的转动光谱进行观测，仍然存在一些天然的不足之处[14]：

1. 只有分子处于气体状态，才能辐射出可分辨的转动光谱。故射电天文学只能获得处在气体状态的星际分子信息，而对附着在星际尘埃或冻结在固态冰中的分子无能为力。
2. 只有拥有永久偶极矩的分子（极性分子或顺磁性分子）才能辐射出转动光谱。故转动光谱法无法观测到大部分非极性分子，如分子氢（H2）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2）、甲烷（CH4）、乙炔（HCCH）等等。氧气（O2）因为存在磁偶极矩，故拥有转动光谱。

红外波段的振动光谱可以观测对那些无法通过转动光谱观测的非极性小分子，如二氧化碳和甲烷。它也能够被用来观测被冻结在固态冰中的小分子。但红外波段的观测比射电波段的观测条件要困难些：红外波段需要背景光源，即需要所观测的对象的视线方向，背后正好还有星光。对于背景光的校正通常也很麻烦。

由分子的电子跃迁产生的紫外–可见光谱过为复杂，且不同分子间的光谱重合度过高，故将其用于识别单个分子时，很有挑战性。如有人推测可见光波段的诸多尚未被识别的弥散星际带（diffuse interstellar bands），可能来自于多环芳烃（PAHs）。尽管对弥散星际带的观测和研究已有几十年，但明确确认其分子来源的，仅有富勒烯正离子（C60+）[17,18]。

实验天体化学

地面实验室中的化学为天体化学的观测和理论提供坚实的基础。实验天体化学主要包括三个方向的研究[13]：

1. 分子光谱学
2. 反应动力学
3. 冰化学

分子光谱学

分子光谱学是解析天文光谱的基础。实验室中对于各种化学物质的转动光谱和振动光谱的测量，经过解析之后，被编译成为光谱数据库，为天文光谱数据的解析提供参考依据。在转动光谱领域，最常用的数据库由两个机构分别维护：

• 美国 NASA 喷气推进实验室（JPL）维护的数据库[20]： http://spec.jpl.nasa.gov/home.html
• 德国科隆大学维护的数据库（CDMS）[21]：http://www.astro.uni-koeln.de/site/vorhersagen/

在红外光谱领域，可用的数据库更多一些，较有影响力的有：

• 美国哈佛大学史密森尼天体物理中心（CFA）维护的 HITRAN [22]：http://hitran.org/
• 法国气象力学实验室维护的 GEISA [23]：http://cds-espri.ipsl.upmc.fr/etherTypo/?id=950&L=0

此外，为方便综合查找分子谱线数据，还有一个综合搜索平台： http://www.splatalogue.net/.

反应动力学

反应动力学实验主要测量化学反应速率（rate coefficient）随反应物浓度及温度变化的函数，以及测量有多个分支的化学反应中，每个分支所占的比率（branching ratio）。反应动力学数据对天体化学理论模型的搭建具有重要意义——如果反应速率常数不正确，再优秀的模型也无法体现实际情况[24]。

想要在实验室中模拟星际空间中的低温（通常低于 -200℃）环境并测量此温度下的反应速率，并非易事。此外，在极端低温（接近绝对零度）的情况下，某些反应的量子效应开始变得显著，使得实际的化学反应速率偏离使用经典理论从较高温度下的反应速率外推出来的结果[25]。

分子间的碰撞反应动力学，还对解释非热平衡状态下的辐射转移及分子光谱形状颇有裨益[26]。

冰化学

天体化学的研究已经表明，仅靠气相中的化学反应网络，远远无法解释实际观测到的星际化学物质的种类和丰度。沉积在星际尘埃表面的「冰」——指各种在低温下凝固了的挥发性物质，必定在天体化学网络中扮演关键角色。

通常认为，冷分子云中包含了大量星际尘埃，其表面冻结了诸如甲醇、水、一氧化碳、二氧化碳等物质的冰。氢原子可以在这些冰表面迁移，并发生加氢反应。紫外线也可以使得这些分子光解并产生自由基。当温度升高时，这些被冻结在冰中的自由基也随着冰的融化而进一步发生反应，并将产物释放到气相中[24]。在实验室中，人们制备不同组分的冰化合物，对其施加紫外线、X 射线、高能粒子等模拟星际空间环境的辐射，或者进行热处理，以便观察辐射处理后的反应产物。这些实验可以用来推测和验证星际尘埃的冰层上可能发生的化学反应类型及反应速率，为理论模拟提供依据[27]。

理论模拟

天体化学理论模型是在计算机上搭建仿真模型，来研究天体环境中的化学反应过程。通过理论模型和观测数据和结合比对，才能更深层次地解读观测数据，理解天体所经历的化学过程。

天体化学模型主要分为两类：一类是化学反应网络模型，一类是流体力学模型。这两类模型之间也有紧密的结合。

化学反应网络模型，是将所有可能在星际空间中发生的化学反应及其反应速率编写入模型网络，并使用数值方法迭代求解反应速率主方程（master equation），从而获得各种反应产物的含量。模型中通常需要包括气相反应、冰层表面的反应以及冰内部的反应。通过调整初始的元素丰度、辐射强度、体系的温度梯度和升温速率等外部参数，可以得到各主要化学物质的丰度随着演化时间变化的曲线[28]。模型模拟的结果可以用来与天文观测结果进行比对。天体化学家常用的化学反应网络模型由俄亥俄州立大学大学开发并维护的 UMIST [29]，以及由波尔多天体物理实验室开发并维护的 KIDA [30]。

流体力学模型，用于模拟天体内部物质的运动：扩散、对流、坍缩、旋转、喷射等等。此类模型通常使用二维或三维的网格，定义好网格与网格之间物质传递、热传递和辐射传递参数，并在时间维度上加以演化。在每个网格内部，可以嵌入化学反应网络模型，来计算每个网格中的化学变化[31,32]。模型模拟的结果也可用来与天文观测结果进行比对。

星际分子

截止 2017 年 10 月，人类已发现的星际分子已达 200 种，其中 62 中在银河系外的星系中亦被观测到。这个「星际分子」的列表每年都在不断增长。其中，许多常见的简单有机物均能在宇宙中找到，如：甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、甲胺、甲酸甲酯、甲硫醇、乙醇、乙醛、乙酸、乙硫醇、二甲醚、乙腈、乙二醇、乙醇醛、丙酮、丙腈、丙烯腈、甲酸乙酯、乙酸甲酯等等……

所有已发现的星际分子及相关文献报道，均可在由科隆大学的 CDMS 数据库团队维护的「Molecules in Space」网页中找到[33]。

参考文献

1. Astrochemistry, Chemistry careers, ACS Careers.
2. International Astronomical Union Division VI & Commission 34: Interstellar Matter.
3. International Astronomical Union Division H.
4. Herbst, E. and Yates Jr., J. T. (2013) Chem. Rev. 113 (12): 8707–09. doi: 10.1021/cr400579y.
5. Weinreb, S. et al. (1963), Nature 200 (4909) 829–31. doi: 10.1038/200829a0.
6. Cheung, A. C. et al. (1968), Phys. Rev. Lett. 21 (25): 1701–05. doi: 10.1103/PhysRevLett.21.1701.
7. Cheung, A. C. et al. (1969), Nature 221 (5181) 626–28. doi: 10.1038/221626a0.
8. Snyder, Lewis E. et al. (1969), Phys. Rev. Lett. 22 (13): 679–81. doi: 10.1103/PhysRevLett.22.679.
9. McKellar, A. (1940), PASP 52 (307): 187–190. doi: 10.1086/125159.
10. Nittler, L. R. and Ciesla, F. (2016), Annu. Rev. Astron. Astrophys. 54 (1): 53–93. doi: 10.1146/annurev-astro-082214-122505.
11. Sewilo, M. et al. (2018), Astrophys. J. Lett. 853 (2): L19–26. doi: 10.3847/2041-8213/aaa079.
12. Luyao Zou, 速报：人类首次探测到银河系外的复杂有机分子二甲醚和甲酸甲酯，2018 年 2 月 1 日.
13. van Dishoeck, E. F. (2017), arXiv:1710.05940.
14. Herbst, E. and van Dishoeck, E. F. (2009), Annu. Rev. Astron. Astrophys. 47 (1): 427–80. doi: 10.1146/annurev-astro-082708-101654.
15. Wang, S. et al. (2011), A&A 527: A95–102. doi: 10.1051/0004-6361/201015079.
16. NASA 喷气推进实验室: Spectrum from Embedded Star in Herbig-Haro 46/47, 2003 年 12 月 18 日.
17. Campbell, E. K. et al. (2015), Nature 523 (7560): 322–23. doi: 10.1038/nature14566.
18. Walker, G. A. H. et al. (2015), Astrophys. J. Lett. 812 (1): L8–12. doi: 10.1088/2041-8205/812/1/L8.
19. NASA: Diffuse Interstellar Band Catalog.
20. Pickett, H. M. et al. (1998) J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 60 (5): 883–90. doi: 10.1016/S0022-4073(98)00091-0.
21. Endres, C. P. et al. (2016) J. Mol. Spectrosc. 327: 95–104. doi: 10.1016/j.jms.2016.03.005.
22. Gordon, I. E. et al. (2017) J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 203: 3–69. doi: 10.1016/j.jqsrt.2017.06.038.
23. Jacquinet-Husson, N. et al. (2016) J. Mol. Spectrosc. 327: 31–72. doi: 10.1016/j.jms.2016.06.007.
24. Garrod, R. T. and Widicus Weaver, S. L. (2013) Chem. Rev. 113 (12): 8939–60. doi: 10.1021/cr400147g.
25. Smith, I. W. M. (2008) Chem. Soc. Rev. 37: 812–26. doi: 10.1039/b704257b.
26. van der Tak, F. (2011) Proc. IAU 280. doi: 10.1017/S1743921311025191.
27. Allodi, M. A. et al. (2013) Space Sci. Rev. 180: 101–75. doi: 10.1007/s11214-013-0020-8.
28. Wakelam, V. et al. (2012) In Smith, I. W. M. et al. (Eds.) Astrochemistry and Astrobiology (pp.115–43) Switzerland AG: Springer Nature. doi: 10.1007/978-3-642-31730-9_4.
29. McElroy, D. et al. (2012) A&A 550: A36–48. doi: 10.1051/0004-6361/201220465.
30. Wakelam, V. et al. (2015) Astrophys. J. Suppl. Ser. 217 (2): 20. doi: 10.1088/0067-0049/217/2/20.
31. Tsukamoto, Y. et al. (2015) MNRAS 446 (2): 1175–90. doi: 10.1093/mnras/stu2160.
32. Yoneda, H. et al. (2016) Astrophys. J. 883 (1): 105–121. doi:10.3847/1538-4357/833/1/105.
33. Universität zu Köln: Molecules in Space.

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  你这问题提得太有意思了！天体和原子，听起来风马牛不相及，一个浩瀚无垠，一个微小到看不见。但要是咱们仔细琢磨琢磨，你会发现这俩家伙，其实还真有点儿说不清道不明的“血缘”关系，甚至能玩出“一环套一环”的戏码来。咱们先从最直观的层面聊聊。你看那些闪烁在夜空里的星星，太阳、月亮，还有咱们脚下这颗大地，它们都.............
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  天文学家/天体物理学家说起情话来是怎样的？

  

  想象一下，在一个星光璀璨的夜晚，当大多数人沉浸在浪漫的氛围中时，一位天文学家/天体物理学家可能会这样说情话：“你知道吗？我今天看着那片星云，它的颜色、它的形态，都让我无法移开视线。就像我看见你一样。那片星云，它正在经历一场壮丽的诞生，无数的尘埃和气体聚集，在引力的作用下，孕育着新的恒星。而你，在我眼.............
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  高密度天体是否遵循牛顿的引力定律？

  

  高密度天体，比如白矮星、中子星，甚至黑洞，它们是否乖乖地遵循牛顿老爷子的引力定律，这可不是一个简单的“是”或“否”就能回答的问题。要深入理解这一点，我们得把牛顿的引力理论和这些极端天体的实际情况仔细掰扯一下。牛顿的万有引力定律，用我们最熟悉的语言来说，就是“质量越大，引力越大；距离越近，引力越大”。.............