天文学家发现，在星际空间的黑暗区域里有很多分子，其中许多分子是由地球上少见的特殊化学反应所形成的。

天文学家早在70年前就已经知道，我们银河系的星际空间并不是完全空着的。有稀薄的气体充塞其间，其中含有少量“尘埃”微粒。大爆炸时气体中产生了许多氢和氦，不过星球又把一些氢转变为氦。在气体和尘粒中已经出现了一些其他元素，在那里核反应可使氢和氦转变为碳、氧、铁以及更复杂的核。当星球死亡时，它的一些物质散布入星际空间，最终成为下一代的恒星和行星的组成部分。

星球生成的一些元素虽然通常以个别原子或含有大量原子的惰性颗粒存在于空间，但它们也会形成分子，其中有些分子异常独特，在地球上往往不易形成。实际上，气体和尘埃的密集区域——星际云含有一大批各种各样的分子，其中包括含许多碳原子的链状或环状的复杂有机分子。

研究这些分子，我们不仅可以了解一些颇有意义的新的化学现象，而且还可发现一些有关生命起源的线索。

星际化学还可提供有用的天体信息。在星际云中发生着一些重要的化学反应。而星际云中星球的形成会影响这些反应，因此我们可以用星际云的化学组成考察星际云的结构，研究新的星球是如何形成的。

1920年，天文学家首次认识到星际空间不是完全空的，他们发现，星际云里的星球愈远，颜色愈红。直径与光波波长相近的石墨或硅酸盐固体微粒，能吸收和散射波长较短的光，因此透过星际云的光中含较多的波长较长的红色部分。这些微粒是在浓密的星云中生成，为来自星球的辐射压力排入星际空间的。

天文学家在无线电波长21厘米处接收氢原子的辐射，可检测到空间含量最多的原子——氢。当天文学家考察来自遥远的星球的可见光谱和紫外光谱时，可以看到狭窄的吸收谱线，这是由星际空间的钠原子、钙原子和其它重原子吸收该部分波谱辐射所形成的。不过，微粒和原子数很低，星际物质的平均密度的数量级比地球上实验室所能够达到的任何真空度都要低。

稀薄的星际介质是一个十分恶劣的去处，这里充满着来自星球的短波射线和来自超新星的高能宇宙射线。初看起来，这些短波射线和宇宙射线似乎会阻碍原子形成分子；即使形成了分子，也会被破坏掉。然而射电天文学家发现了短的无线电波长——通常约为1毫米——的发射谱线，后者正是分子的特征谱线。

这些观察结果表明，我们银河系含有各种各样的分子，从最简单的双原子分子一氧化碳（CO）到长的线型分子氰基辛四炔（HC₉N）存在着包括醛、醇、酮、醚、硝酸酯和乙炔的衍生物等在内的许多有机分子。

高度活性的分子在星际空间有存在的余地，这些分子一旦形成，就会继续存在：它们不大可能与其它物质相遇而发生反应。其中有些分子在被化学家在实验室中认识以前，即已被天文学家在星际空间发现。环状分子环丙二烯（C₃H₂）即为一例，其中3个碳原子分别位于三角形的3个顶点。它是检测到的碳原子不在一直线上的第一个星际有机分子。在我们银河系中这种分子是普遍存在的，天文学家在另一个星系——半人马星座A内也已发现了它。

星际空间的分子并非全是电中性的。个别的是由中性分子结合了一个带正电荷的质子（氢核）形成的正离子，如HCO⁺、HN₂⁺及HCS+等。这些分子型离子的存在可以说明，引起离子化——产生带电荷的原子或分子的作用——的过程对星际化学来说是十分重要的。而这一过程多半是天文学家称为宇宙射线的高速质子及其它原子核所引起的。

人们在空间物质的局部稠密区域可以发现星际分子。虽然天文学家称这些高密度区域为“星际云”，但后者却没有什么地球上的云的特征。地球上空的云主要由一种物质——水所组成，后者已从各种气体组成的大气中凝聚出来，而星际云却是由大块的、与其余的星际介质同样的物质所组成。在星际云内部，这些原子可彼此发生化学反应。

按星际分子云所含物质的多寡，天文学家把它们分为三大类。比较稀薄的两类为“扩散型”和“半透明型”分子云，它们仅部分遮蔽掉位于它们后方的星球上射来的光线。天文学家主要借考察位于它们后方的星球，探查云内的气体加在这些星球在紫外、可见及红外波长区域的光谱上的吸收谱线来研究这种云。根据无线电发射谱线，天文学家也在扩散云中检测到了少数几种分子，在半透明云中则检测到较多的分子。

第三类云为“浓密型”分子云，由于它们遮蔽掉来自它们后方星球的几乎全部光线，因此它们就像天空里的黑色碎片 · 借助高频、微波区域——在特殊情况下为红外区域的发射谱线和吸收谱线，天文学家检测到了浓密云中的分子。

空间气体的平均密度约相当于每立方厘米内一个氢分子。分子云的密度范围，由扩散云和半透明云的每立方厘米100个左右原子或分子，到浓密云的每立方厘米1000到10，000个原子或分子，在浓密云中还发现小块密度更高的区域。扩散云较暖热，温度为至70 K及70 K以上，浓密云通常为10 K左右，不过在受到新星演变和形成过程所干扰的局部区域，温度可能会高一些。

分子云里发生的化学过程和现象取决于这种云的浓密程度。来自银河系星群的紫外线能穿透扩散云、因而原子或分子吸收了高能的紫外光子会引起一些反应。紫外光子具有很高的能量，能把分子分裂为各别的原子。这就限制了所能形成的分子组成的复杂程度：迄今在扩散云里仅检测到由两个原子组成的分子。

在浓密云里，尘埃微粒能吸收紫外光，因而可使气体原子和分子免受破坏性的辐射。因而，很复杂的分子可以保存完好。虽然尘粒可阻挡紫外辐射，但宇宙射线却很易穿透浓密云，从而推动了黑云中央的一些化学反应。而半透明云则居于二者之间，兼有扩散云和浓密云二者的特征。

星际空间的气体几乎完全由氢和氦所组成，每1个氦核约有10个氢核。而每1000个氢核，各种其他重元素的核还不到1个。

由于氢是最普通的元素，所以可以预期在浓密云里分子氢（H₂）是最多的分子。但是分子氢不能发射出天文学家易于检测到的波长的射线——无线电波和毫米波。而检测强烈发射这种波长的较稀有的分子的射线，则容易得多。天文学家能方便地检测到来自一氧化碳的辐射线，浓密云里一氧化碳含量仅为氢分子的万分之一。他们还发现了将近100个其它的分子、离子型分子和称为游离基的分子活性碎片，后者可含有许多轻元素：氢、碳、氧、氮、硫、硅、氯和磷等。其中有些元素的含量在氢含量的十亿分之一以下。

天文学家根据氢分子加在更远的星球的紫外光谱上的吸收谱线，检测了在扩散云里有多少氢分子。人们也可测出扩散云里氢原子的含量。这有助于我们了解最简单的化学反应的机理：两个氢原子反应形成分子及逆反应——氢分子离解成氢原子。

氢分子极易为紫外光子所破坏。它首先吸收光子，产生受激分子。

H₂+hγ→H₂^*

式中hγ代表光子的能量。受激分子的能量较两个各别的原子要高，所以它能自发分解，并放出能量较低的光子：

H₂^*→H+H+hγ

氢分子破坏生成氢原子的速度可以知道，即可算出由氢原子生成氢分子的速度，可得到我们要知道的原子对分子的比例。人们认为氢分子是在尘粒表面上生成，而不是在空间生成。如果一个氢原子与尘粒相撞，同时又遇上另一个氢原子，则这两个氢原子就一起成为氢分子离开尘粒。我们对扩散云进行的计算可得出，氢原子与尘粒的每一次碰撞必定产生一个氢分子。

能破坏分子氢的光子不能穿入浓密云的内部。我们的计算表明，在尘粒上分子氢十分容易生成，在浓密云中几乎所有的氢均为分子氢。宇宙射线和化学反应会破坏一些氢分子，但不会改变云内分子氢压倒多数的状况。然而也确实是产生氢原子的重要原因，这些氢原子随后能参与其他的反应。

氢以外的其他原子，在微粒表面上相遇时，无疑也会生成某些分子。但这些分子不会脱离微粒回到空间去，往往和微粒粘在一起，形成分子物质的外壳。因此，在气体里检测到的氢以外的分子一定是由气相中的原子和分子间的反应所形成的。星际云的密度极低，因此不可能找到包括三个原子或分子相碰撞的反应。但氢的生成已足以引起其它分子的形成。

在寒冷的星际云内，中性原子或分子间的绝大多数化学反应都进行得很慢。当紫外线或宇宙射线冲击原子或分子时，会激发出电子，生成带正电荷的离子。这些分子型离子极易与中性原子或分子相反应。天文学家在星际云中已检测到了分子型离子。其中最重要的便是结合了一个质子的一氧化碳（HCO⁺）天文学家起初曾为这些不能辨认的离子发射出来的无线电辐射所迷惑。后来，研究工作者通过测定地球上的HCO⁺分子型离子的光谱，确证它们是同一种离子，在此以前，这种离子一直被称为“X精”（X-ogon）

首先要有一氧化碳产生，才能形成HCO⁺，星际云中产生一氧化碳的途径很多。事实上，计算表明这些不同的过程可使浓密星际云中的几乎全部碳原子转化为一氧化碳。剩下很少的碳原子可供形成已发现的复杂的碳氢化合物。然而，光子会破坏一氧化碳，生成游离碳原子。虽然来自星球的紫外光子不能穿透浓密云的中心，但却存在着一些能局部产生光子的过程。当宇宙射线与原子和分子相碰撞时，就会激发出快电子，并产生离子。电子与氢分子碰撞，慢下来时就产生光子。

当人们试图考虑形成复杂分子的途径时，面临着一个问题，那就是有不少反应的速度难以断定，尤其是星际云内低温下的反应速度。所谓辐射离解是一种可能的、作用颇大的机理。该机理认为，两个原子或分子结合成一个受激分子，后者随后会发射出光子而丧失能量。

使得天文学家确信星际介质中可能含有晕苯（C₂₆H₁₂）和萘（C₁₀H₈）等碳环大分子的，是星云的红外光谱。这类大分子化合物称为多环芳香烃。它们可能是在红色巨星的冷却的氛围中与石墨尘粒一起生成的。人们已开始探索这类化合物在星际化学过程中起的作用，但对它们的反应活性还知之甚少。现在还只是刚开始进行实验室研究。

星际云内的固体微粒不仅使分子免受紫外星光的破坏，而且还提供了由气相移走分子的“渠道”。微粒表面温度很低，分子会凝结在它的表面上。在百万年计——对星际云的寿命来说只是极短的时间——的时间里，照理大多数的分子均已冻结成固体。然而人们却仍然在气相中观察到了分子。想必是有某种使冻结在微粒表面的分子得以重新逸出的途径存在。

研究工作者已经提到了两种可能的机制。当宇宙射线冲击某一微粒时，前者的能量可能使一些分子松散；或者，当两个颗粒相碰撞时，可能有分子释放出来。这些过程所产生的分子往往还加上水（H₂O）、甲烷（CH₄）、氨（NH₃）、硫化氢（H₂S）、磷化氢（PH₃）和硅烷（SiH₄）等气体分子，随后参加到一系列化学反应中去。

来自星球的气流也会改变化学过程。许多星球的表面会丢失大量质量，形成“星风”，而超新星爆裂时则会产生很多迅疾的气流。1987年，天文学家发现了1987A超新星发射的正在膨胀着的物质中的一氧化碳的红外谱线，1987A超新星是在附近的大麦哲伦云星系中发生爆裂的。

高速气流能使微粒的分子外壳升华逸散，进入气相、气流还把冲击波传送入星际气体，使后者受到压缩而升温。

在温暖的气体中发生着不同的化学过程。分子型离子的化学过程可为涉及中性粒子并为分子氢的反应所控制的化学过程所代替。有这么多分子型离子CH⁺，其原因就在于有温暖的气体，这是无法用低温下的化学过程所解释的。在暖热气体中，这种离子照理是由离子化碳与分子氢作用产生的：

C⁺+H₂→CH⁺+H

这一反应能吸收能量，在2000 K以上的温度时进行得很快。虽然这种解释不错，但含CH⁺的气体的速度测定数据并不符合冲击波所预期能得到的数值，因此迄今还不能断定暖热气体的来源。

在星际化学中还有其他许多问题有待解答。还需要各个不同学科的研究，尤其是等离子体的分子过程的研究，才能解决这些问题。

人们或许已经发现了有关控制星际化学现象的分子过程的决定性的基本概念，但是还没有一个关于星际介质的化学结构的全面观点，可以解释在星球的产生、演变和死亡过程中星球是如何跟星际气体相互作用的。我们可以借化学组成的测定数据去了解星球的辐射情况、星R云的密度和温度以及宇宙射线通量，但我们还无法推断出分子云的龄期。我们也无法由化学组成去推断分子云是如何演变的。然而，由于新的接收装置的研制成功及新的望远镜的制成，天体化学家正在取得进展，人们期待着去研究其它星系的星际化学，并把它们跟银河系作比较。

银河系中有机分子的发现，引发出这样一个根本性问题，即在太阳系等恒星系中产生的行星上，这些有机分子在生命形成过程中起着什么样的作用。当太阳前星云或星前星云凝聚时，星际分子可能会遭到破坏，但在星际空间的恶劣条件下复杂有机物的形成和继续存在，说明这些分子是相当稳定的。因此这些分子得以幸存，从而在导致地球上（可能还包括别的星球）生命形成的化学过程中起着关键的作用。

[New Scientist，1990年6月23日]

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* Alexander Dalgarno为哈佛大学天文学教授及理论原子物理及分子物理史密森国立博物馆馆长。