看不见的微光

万物皆在发光——这是对于宇宙的基本认知，却鲜为人知。从植物到人类，又从人类到行星，无论何时何地，一切事物都在隐隐闪烁着。科学家把这种不可见的微光叫作“热辐射”。热辐射的根源为组成宇宙万物的原子。比如我面前的桌上有一杯茶（虽然现在茶凉了），这杯茶就由数万亿原子组成，它们相互碰撞推搡。而20分钟前这杯茶刚沏好的时候，这些原子相互碰撞得更为激烈。这是温度在深层物理上的表现——粒子所承载的能量。除了产生热之外，活跃的原子还会产生辐射。更重要的是，它们产生的辐射的波段取决于温度。能量越高的原子产生的光子的能量也就越高，这点很好理解。所以温度较高的物体释放的光波长更短，温度较低的物体释放的光波长更长。我可以用红外摄像装置观察到茶杯逐步冷却的过程，随时间推移，光波也越变越长。

这无处不在却又看不见的微光就是研究红外宇宙的关键。当我们用肉眼仰望夜空，所见者为可见光揭示的漫天繁星，它们填满了苍穹。但是，红外线下看不见的宇宙更为多姿多彩，也更为陌生奇异。

物体在室温下产生的大部分辐射都位于中红外波段，在10微米左右。如果把水煮到沸点100摄氏度，所产生的光波长会缩短7—8微米。越加热一个物体，它产生的光波长也会越短，加热到几百度的时候，释放的波长会降到大约0.7微米，此时我们就能用肉眼看到物体发出的光了。因此，我们也常说金属被“烧红”。我们的常识是金属烧到这种温度才会发光，但其实它平常也发光，只不过都不可见罢了。高温下泛出红光，只不过因为光的波长已短到我们肉眼能刚好看到。这就是为什么我们能看到阳光。太阳表面的温度约为6000摄氏度，若进行测算达到这个温度的物体发出的光波为500纳米，正好落在可见光谱的正中央。当然这不是巧合，我们的眼睛构造通过长期的演化，目的就是要充分利用附近的恒星（太阳）散发的辐射。耐人寻味的是，如果我们的地球围绕着一个温度更高或者更低的恒星运转，那么可见光的波长肯定会与现在大不一样。

有了上述结论，我们可以粗略按温度把近红外、中红外和远红外进行分类。温度较高的物体发出近红外光，不过温度也不需要高得像太阳那样离谱，大概几百或上千摄氏度就够了，虽然就地球的标准而言已经很高了。温度接近室温的物体发出中红外光。而宇宙中比较冷的地方会散发远红外光。这样想或许会有些奇怪，但宇宙中零下几百摄氏度的物体也会发光，原理和烧得发红的铁棒如出一辙。万物皆会发光，不论物体多么少见，是否久居恒星之间的黑暗寒冷的空间中，都会闪烁着看不见的光。

好了，相关背景知识也介绍得差不多了，接下来我们会讨论天文学的领域。这些看不见的红外光会呈现怎样的宇宙？我们用红外观测装置又能看到什么？ C5HIj0zQQ2xBqu2NmP2DLwmERdYaycAXZT4hoYHPiWPj+K2ulGAVeAP8dxTeb6+U

星际之云

宇宙非常空荡。在银河系中，恒星之间的大气平均密度为每原子占0.5立方厘米。也就是说，一汤匙的空间中，只会有3个原子。不过，宇宙中原子的分布并不均匀，比如太阳系就位于银河系中最空荡的一片区域，名为“本地泡”，其平均气体密度比银河系均值小1/10左右。本地泡的起源可追溯到1000万年前：若干恒星先后爆炸，在银河系中凿出了一个大洞，慢慢地才凝聚成今天的样貌。不过虽然银河系有些区域几乎空空如也，其他的一些区域却充斥着由高密度星际介质组成的“星际云”。这些云层不仅美丽，而且在银河系的生命周期循环中也发挥了重要作用。要想观测星际云全貌，最好的办法就是利用红外光装置。

这里必须要解释一点，那就是“致密”只是个相对概念。当天文学家形容“致密”星际云气时，可能也就是一汤匙大小的空间，含有几千个原子。而在地球上，一汤匙量的大气原子数量为10 20 左右（100000000000000000000，也就是1垓原子）。对比之下就知道，星云的“致密”其实非常“稀疏”。实验室用的强力真空泵能把空气中的原子抽到每汤匙100亿个左右，地球上最强力的真空泵（欧洲核子研究组织用于粒子加速器的“超真空”）也只能把这个数字减少到几万个而已。也就是说所谓的“致密星云”，其密度与地球目前耗费最大努力所能抽出的真空差不多。不过即使宇宙非常空荡，我们依然能看到这些细如薄纱的星云。虽然一汤匙中的少许原子看似不多，但如果星云足够大，构成的介质依然足以摄人心魄。

图2.2是赫歇尔空间天文台在远红外波段拍摄的分子云，这些巨大的洞穴状云离地球约6000光年，是银河系英仙臂的一部分是孕育新星的工厂。它的实际规模非常大，每一个淡蓝色的“洞”都长达200光年。美国发射的旅行者2号探测器以6万千米时速（每秒16千米）驶出太阳系，要想穿越这样一个翻滚着尘土的“庞然洞窟”则需要几百万年。如果将我们的银河系覆盖在这张图片的顶部，以太阳为中心放到随便一个“蓝洞”中，就会发现空间能容纳约10万颗恒星，包括恒星与恒星之间的空间。

图中的蓝色和橙色并不是真实颜色，因为肉眼无法观测红外线，我们只能把这些来自赫歇尔天文台的不可见光赋上颜色，方便理解。此处的淡蓝色表示70微米波长的红外光，橙色表示100微米波长的较长远红光。而又因为波长越长代表其温度越低，所以这样的着色说明蓝色的区域比周围的星云“温度更高”（但其实“温度更高”在这里也是相对的一个概念，因为这片区域最高温度也在零下200摄氏度）。“蓝洞”之所以更热，是因为此处有大规模新星诞生，其伴随的爆炸和强风在区域四周的介质中凿出空洞。

这些星云都是由什么组成的？和宇宙的其他部分的成分一样，大多是氢和氦。不过除了这些简单的单分子之外，星云中还有大量极为复杂的物质。在过去的20多年里，天文学家发现在星际分布着几百种不同的有机碳基分子。比如接近银河系中央有一片大分子云，叫作人马座B2，含有氰化物和酒精（这种“毒酒”总量为数千秭升，即10 27 ）以及甲酸乙酯。顺带提一下，甲酸乙酯尝起来是覆盆子的味道。

在星际云内部发现的各式各样的分子，使天文学家不由得发问：构成生命的基石是否能在太空中自发存在？倘若能利用红外望远镜剖析分子云内部，从中发现构成我们身体的化学物质，这无疑将对宇宙生命的探索产生举足轻重的影响。若在地球混沌之初，来自外太空的自然产生的有机分子和氨基酸植入地球，进而萌发生命，那么宇宙中其他地方应该也能发生同样的过程。虽然我们尚未得到确切的答案，但是红外望远镜已取得了一些引人注目的发现。

2008年，由天文学家阿纳德·贝克彻（Arnaud Belloche）率领的科研团队从银河系中心附近的星际云块中捕捉到了红外光，证明存在“氨基乙腈”，其结构与构成人体蛋白质的氨基酸十分相似。2019年，日本北海道大学的大场康弘（Yasuhiro Oba）发表的一篇论文表明，理论上核碱基——DNA的成分——可以在星际云内部形成。我们还隐约察觉到星际云中有甘氨酸（甘氨酸对人体代谢至关重要，构成的蛋白协助肌肉收缩）发出的光谱。不过，在这篇文章动笔之际，星际空间中的甘氨酸尚未完全证实，我们已经在太阳系内的彗星中发现了甘氨酸，但是还不能确定它是否存在于恒星之间的深空。

红外望远镜对星际云之心的观测，向我们披露了宇宙中丰富多样且结构复杂的化学分子。而且，值得注意的是，组成生命的基本化合物似乎很可能较为常见，散落在浩瀚银河系中。 C5HIj0zQQ2xBqu2NmP2DLwmERdYaycAXZT4hoYHPiWPj+K2ulGAVeAP8dxTeb6+U