星际空间四成物质处于"禁区"，教科书模型被推翻

你或许以为太空是空的。但看似虚无的空间里，漂浮着一层几乎难以察觉的氢和其他中性原子组成的雾。2020年，美国宇航局（NASA）的"新视野号"（New Horizons）探测器在飞越冥王星轨道后，测量了周围氢含量的一个替代指标。在银河系恒星之间的区域——即"星际介质"（ISM）——新视野号发现每升空间约有130个氢原子。

这些氢，连同少量氦和其他分子，大部分是大爆炸的遗留物，并不断被宇宙现象补充，比如恒星诞生时喷出的气体和尘埃射流，以及恒星死亡时脱落的外层。

由于星际介质极其稀薄、变化极其缓慢，过去半个世纪里天文学家大多忽略它的细节，把它当作宇宙中更炫目事件的静止背景板。但大部分是空的空间，并没有看上去那么简单。

过去几年，天体物理学家改变了我们对星际介质的理解。利用新绘制的横跨银河系数千光年的地图，他们发现它并不是研究人员以为的那种安静、稳定的背景。相反，星际介质的大部分似乎是不稳定的——这一发现直接与教科书上传授的主流理论模型相矛盾。这个意外发现可能有助于解答一个长期悬而未决的问题：恒星形成的速度为何如此之慢。

冷与热的两态设想

1969年，研究人员乔治·菲尔德（George Field）、唐纳德·戈德史密斯（Donald Goldsmith）和哈姆·哈宾（Harm Habing）提出了一个关于星际介质行为的模型。他们预测它存在两种稳定状态：冷态和暖态。

当气体和尘埃在太空中漂浮时，它们通过引力把更多的气体和尘埃聚在一起，最终形成云。这些云倾向于冷却，因为快速运动的分子会与其他分子碰撞并损失能量。它们的温度保持在严寒的100开尔文，约零下173摄氏度。

但有时气体和尘埃太热，无法坍缩成冷云，反而形成弥散云。弥散云更容易暴露在附近恒星之下，恒星以紫外线辐射的形式提供新能量。这一过程使云的温度稳定在8000开尔文附近。

科学家认为，星际介质中的原子几乎会立刻转变到冷态或暖态，基本上不会留下不稳定的中间态星际介质。

1977年，克里斯·麦基（Chris McKee）和杰里迈亚·奥斯特里克（Jeremiah Ostriker）在图像中加入了第三个阶段：在超新星激波前沿，气体可以变得更热，转变为温度达50万开尔文的炽热等离子体。然而即使在这个扩展框架中，爆炸区之外的原子气体也被假定处于平静、压力平衡的状态。

但这个理论很难检验。冷原子氢不发出可见光。测量它最简单的方法是寻找一种罕见的原子跃迁：氢原子内部的电子和质子有时会在两种可能状态之间切换。这种跃迁会发出波长为21厘米的微弱无线电波。

70多年来，天文学家一直把射电天线对准天空，探测这些气体的低语，但从地球沿单一视线看出去，他们只能收集到来自重叠云团的纠缠信号。梳理这些结果就像透过一叠半透明的彩色塑料片看东西；颜色混在一起，很难辨认出任何单独一层。

直到近年来，随着新太空望远镜的发射，天文学家才能以足够的细节探测恒星之间的空间，把这些层次分开。

盖亚的馈赠

2013年发射的盖亚（Gaia）望远镜为科学家提供了太阳周围恒星的三维地图，从而为理解星际介质创造了新机会。

你可以把拇指放在脸前，闭上左眼，再闭上右眼，来体会它绘制这张地图所用的一种方法。来回切换时，你会注意到拇指相对于它后面的东西似乎在移动。拇指离脸越近，你的视野变化越大。这种现象叫做视差。

盖亚在地球一年轨道运行中从太阳一侧移到另一侧时，从不同角度观测了近20亿颗恒星。研究视差效应使研究人员能够确定这些恒星与地球的距离。

科学家随后研究了这些恒星的光在穿过星际介质前往盖亚的途中如何变暗和变红。通过从不同角度收集这些数据，并利用通过视差获得的距离信息，科学家得以更好地理解恒星之间尘埃的密度。

但把这些信息转化为星际介质的三维地图并不简单。中国杭州西湖大学的天文学家格雷戈里·格林（Gregory Green）说，许多可能的星际介质构型都能满足同一组数据。更多数据为天文学家提供了更好的约束，但也让计算更复杂。格林说，挑战在于当底层数学"变得不可能"时，挑出最符合物理的排列方式。

过去十年里，格林和其他研究人员建立了先进的统计框架来应对这一计算。2024年，另一个团队利用这些工具，创建了一张连续的星际介质尘埃密度三维地图，覆盖以太阳为中心、直径超过4000光年的球体范围。

尘埃地图向研究人员显示了星际尘埃集中的位置，揭示了散布在恒星之间空间中的致密云团。但它无法告诉他们这些尘埃有多热或多冷。要了解星际介质温度的全貌，研究人员需要第二张地图来揭示它是如何被加热的。这张地图将来自一个意想不到的来源。

流动的状态

以色列海法理工学院的本科生乔纳森·谢莱斯特（Jonathan Shelest）记得2024年的一场天体物理研究研讨会，他的教授什穆埃尔·比亚利（Shmuel Bialy）向学生们展示了聚集在恒星之间空洞中、形成创生之柱等翻腾结构的气体和尘埃图像。"我喜欢想象万物的几何结构，"谢莱斯特说，"很自然地就开始想象所有的动态、所有的结构、所有的美和丰富性。"

讲座结束后，谢莱斯特立刻给比亚利发邮件，请求加入他的研究组。仿佛是命中注定，比亚利最近一直在找一名学生通过三维制图探索星际介质，于是一段研究合作就此诞生。

谢莱斯特已经拥有了星际介质尘埃的地图。计划是把这张地图与一张加热星际介质的紫外线辐射地图结合起来。

碰巧的是，比亚利在一次会议上与斯坦福大学的天体物理学家特洛伊·波特（Troy Porter）攀谈，找到了这样一张地图——波特已经制作了一张地图，但尚未发表。

于是谢莱斯特、比亚利及其同事着手把两张地图中的200吉字节数据结合起来。在空间中的每一点，他们比较尘埃密度与辐射强度，以了解星际介质哪里热、哪里冷。最终，他们能够在三维网格上整合尘埃和辐射信息。

谢莱斯特随后开始探究这张地图能告诉他什么。最大的惊喜出现在他研究星际介质的整体温度时：谢莱斯特发现，我们银河系邻近区域的星际介质中，27%是冷态，32%是暖态，其余41%正处在"禁区"，属于不稳定的介质。"我以为我弄错了，"谢莱斯特说，"你怎么去跟你的科学导师说，你得到了这么多不稳定的介质？"

但地图似乎并没有出错。谢莱斯特在三维网格中没有看到伪影或随机统计噪声的迹象。相反，不稳定的星际介质形成了巨大的、连贯的覆盖层，完全包裹住冷云。

佛罗里达大学的天文学家亚当·金斯伯格（Adam Ginsburg）说，所有这些既不算热也不算冷的中间态介质，意味着旧理论是不完整的。"有某种东西正在把按照静态理论本应处于另外两种状态之一的物质搅动起来，迫使它改变状态。"

佛罗里达大学的天体物理学家德西卡·纳拉亚南（Desika Narayanan）用了一个有机的比喻。"就像你体内的血液会携带代谢废物或氧气，把不同的东西运到不同地方，"他说，"星际介质也在做同样的事，只不过运的是能量，而且它始终处于流动状态。"

审慎的解读

2026年7月，该团队发布论文的那天，谢莱斯特的收件箱塞满了兴奋的天文学家的来信和合作请求。不过，研究人员呼吁在改写教科书之前保持谨慎。

麦基说，如果冷区和暖区距离太近、模型无法区分，模型可能会高估不稳定星际介质的数量。斯坦福大学卡夫利粒子天体物理与宇宙学研究所的天体物理学家菲利普·弗兰克（Philipp Frank）说，另一种可能是，团队用来计算气体和尘埃整体分布的方法可能让他们误入歧途。研究人员使用了"系综平均"，这种计算天然倾向于抹平尖锐的对比。如果冷云突然转变为暖云，这种方法会人为地把密度的陡降软化成更平缓的斜坡，从而夸大不稳定星际介质的数量。

谢莱斯特和比亚利——他们的分析目前正在接受同行评审——承认有限的分辨率和地图平滑都是问题，但他们认为单靠数学模糊无法解释大部分不稳定星际介质。他们说，当作者在一张分辨率更低、完全不同的尘埃地图上测试他们的模型时，不稳定部分的比例只变化了约5%。

创生的翻搅

星系在把原材料——气体和尘埃——转化为恒星方面效率极低。几十年来，模拟一直难以解释原因。新地图给出了一个答案：星际介质不断加热和冷却的循环抑制了恒星形成。

"恒星形成效率非常低的原因是，反馈会加热并推动周围的气体，"圣迭戈州立大学的天体物理学家安娜·罗森（Anna Rosen）说。这种翻搅可能解释了为什么假定星际介质处于平静平衡状态的经典模型似乎与现实不太吻合。罗森说，这些模型给了我们"有物理依据的快照"——冷热星际介质斑块的不变图像——"但在这些快照之间，还有很多事情在发生。"