星际物质（Ielr Mediu, ISM）——宇宙的“原材料工厂”
1. 基本概念
星际物质（ISM）是填充恒星之间空间的气体、尘埃、等离子体和宇宙射线的混合物，是恒星、行星和生命诞生的“原材料库”。
关键数据：
占银河系总质量的1015%（其余为恒星和暗物质）
平均密度：0.11个原子/3（实验室真空的1万亿倍稀薄）
温度范围：几K（冷分子云）~数百万K（热电离气体）
2. 组成成分
成分 占比 特性
原子气体（HI） ~70% 中性氢（HⅠ）、氦（He）等
分子气体（H?） ~28% 主要存在于冷分子云（如CO示踪）
星际尘埃 ~1% 硅酸盐、碳颗粒（纳米级），散射蓝光（致星际红化）
电离气体（HⅡ） 少量 高温等离子体（如恒星周围）
宇宙射线 微量 高能粒子（接近光速）
原子气体：
1. 基本特性
原子气体是未电离、未结合成分子的单一原子状态物质，主要成分是氢（H）和氦（He），占星际物质总量的约70%。
主要成分：
中性氢（HⅠ）：占原子气体90%以上，通过21 射电辐射被探测
氦（He）：约占8%，难以直接观测（需紫外光谱）
痕量金属：如碳（C）、氧（O）、硅（Si）等（丰度＜0.1%）
物理状态：
温度：10 K（冷中性介质）~10? K（暖中性介质）
密度：0.1~100原子/3（比地球实验室真空还稀薄）
分子气体：
1. 基本特性
分子气体是星际物质中由分子（主要是H?）组成的冷致密区域，占星际物质总质量的**~28%，是恒星形成的直接原料**。
主要成分：
分子氢（H?）：占比99%以上（但极难直接观测）
示踪分子：CO（最常用）、H?O、NH?、H等（已探测到200+种）
星际尘埃：与气体混合（尘埃/气体质量比≈1%）
物理参数：
温度：10-50 K（接近宇宙背景辐射温度）
密度：102-10? 分子/3（比原子气体高100-100万倍）
质量：单个分子云可达10?-10? M☉（太阳质量）
分子云的类型与结构
（1）巨分子云（GMC）
尺度：50-300光年
质量：10?-10? M☉
寿命：约3000万年
典型代表：猎户座分子云（距离1344光年）
（2）暗分子云（Bok Globule）
尺度：＜1光年
质量：10-100 M☉
特征：高密度（10?/3），孤立坍缩形成小质量恒星
星际尘埃：
1. 基本特性
星际尘埃是星际物质中固态微小颗粒（0.01-1 μ），仅占ISM质量的1%，却对宇宙演化有超乎比例的影响。
成分：
硅酸盐（MgSiO?、Mg?SiO?）——类似地球沙粒
碳质颗粒（石墨、无定形碳、多环芳烃PAHs）
冰包层（H?O、CO、CH?OH，存在于冷分子云中）
物理参数：
温度：10-100 K（冷尘埃）至数百K（恒星附近）
密度：每立方千米仅含几粒（但遮挡能力极强）
2.星际尘埃的三大核心作用
（1）光的操控者
消光（Ext）：
短波（蓝光）被散射更强烈 → 恒星看起来更红（星际红化）
定量描述：A_V（V波段消光），银河系平均1.8等/千秒差距
偏振（Porization）：
非球形尘埃沿磁场排列 → 星光产生偏振（揭示磁场方向）
（2）分子形成的催化剂
表面反应：
尘埃表面吸附H原子 → 形成H?（气相中几乎不可能）
冰层中合成复杂有机分子（如甲醇、甲醛）
（3）恒星与行星的种子
原行星盘的基础：
尘埃碰撞黏附 → 千米级星子 → 行星（地球45%物质源自星际尘埃）
电离气体：
1. 基本特性
电离气体是氢原子被电离（H→H?）的高温区域，占星际物质约0.1-1%，但主导可见光波段的星际辐射。
物理参数：
温度：5,000-20,000 K（比分子云高1000倍）
密度：10-10? 离子/3（从稀薄HⅡ区到超致密星云）
电离源：O/B型恒星（紫外光子）、超新星激波、活动星系核
化学组成：
氢离子（H?）占90%以上
氦离子（He?）、二次电离元素（O??、N?）
自由电子（维持电中性）
2. HⅡ区的形成与结构
（1）电离前沿（Ionization Front）
当恒星紫外光子（λ＜91.2 n）到达中性氢区时：
光子电离H原子 → 形成锐利边界（斯特龙根球）
平衡条件：电离速率=复合速率
（2）典型结构
graph LR
恒星 --＞|UV光子| 电离区[HⅡ区]
电离区 --＞ 边界[电离前沿]
边界 --＞ 中性区[HⅠ区]
斯特龙根半径公式：
[
R_S = \left( \frac{3Q}{4\pi n_e^2 \alpha_B} \right)^{1/3}
]
( Q )：恒星电离光子数/s（O7星约10??/s）
( n_e )：电子密度
( \alpha_B )：复合系数（≈2.6×10?13 3/s）
3. 观测特征与诊断工具
（1）发射线光谱
巴尔末线系：Hα（656.3 n，红色）、Hβ（486.1 n，蓝绿）
禁戒线：[OⅢ]（500.7 n）、[NⅡ]（658.4 n）
电子温度测定：