星际物质

Field，Goldsmith & Habing (1969)提出兩個相位平衡的靜態模型來解釋星際物質的觀測特性。其建模的星際物質包括由中性和分子氫雲組成的冷致密相（T< 300 K），和由稀有的中性氫和離子氣體組成的溫星際雲相（T ~ 10⁴ K）。McKee & Ostriker (1977)添加了一個動態的第三相，表示被超新星衝擊和加熱而非常炎熱（T~ 10⁶ K）的氣體，並構成星際物質的大部分體積。這些相是加熱和冷卻可以達到平衡狀態的溫度。他們的潤為為過去三十年的進一步研究奠定了基礎。然而，相的相對比例及其細節仍然不為人所知[3]。

創生之柱的三維結構[4]

这张地图显示太阳位于本地星际云的边缘，南門二（半人馬座α）位于邻近的G雲複合體中，距离太阳大约4.2光年。

星際物質是湍流，因此在所有尺度的空間上都充滿了結構。恆星誕生於巨分子雲複合體的深處，通常只有幾個秒差距的大小。在它們生存和死亡的期間，恆星和星際物質之間有實質的互動。

來自年輕恆星群（通常有巨大甚至超巨大的電離氫區圍繞著）的星風和超新星創造的激震波注入巨大的能量至周圍的環境，從而導致超音速的湍流。結果是可以觀察到不同大小的結構，像是星風泡和熱氣體的超級氣泡，是在X射線望遠鏡或電波望遠鏡的星圖中的湍流。

太陽目前正在通過本地星際雲中一個密度較低的本地泡的低密度區域。

星際物質從太陽系的行星際物質結束的地方開始。太陽風的速度在距離太陽90～100天文單位的終端震波處減慢到次音速。在終端震波之外的區域稱為日鞘，是星際物質與太陽風交互作用之處。航海家1號（在1998年後成為距離地球最遠的人造物體[5]）在2004年12月16日穿越過終端震波，在2012年8月25日穿越過太陽圈頂後，不久就進入星際物質，第一次提供直接偵測星際物質的條件（Stone 等人 2005）。

星際物質還負責消光和紅化，來自恆星的光會被降低光強度和移動佔主導地位的可觀測波長的光。這些影響是光子被散射和吸收引起的，並使得在黑暗的天空中可以用肉眼觀察星際物質。在銀河系（一個均勻的恆星盤）的光帶上有一個明顯的裂痕，是由分子雲吸收在數千光年內的背景星光造成的。

遠紫外線被星際物質中的中性成分有效吸收。例如，氫原子的典型吸收波長為121.5奈米，是萊曼α的轉換。因此，幾乎不可能看見來自距離地球數百光年的恆星發射出這個波長的光。因為大部分的光在旅行到地球的過程中，都在通過中性氫時都被吸收掉了。

低能量宇宙射線加熱：

為加熱星際物質所提出的第一個機制是用低能量宇宙射線加熱。宇宙射線是一種能夠穿透分子雲深處的有效加熱源。宇宙射線通過電離和激發將能量傳輸給氣體，並通過庫倫交互作用使電子被釋放。因為低能量宇宙射線（通常是數百萬電子伏特）比高能量宇宙射線多很多，所以很重要。

粒子光電加熱：

炙熱恆星的紫外線輻射可以將塵埃粒子的電子移除。光子被塵埃粒子吸收，一部分能量用於克服潛在的能量屏障，並從粒子中移除電子。這種潛在屏障是由電子和粒子電荷的結合能（功函數）造成的。光子剩餘的能量部分賦予彈出電子的動能，通過與其它的粒子碰撞加熱氣體。塵埃粒子典型分布的大小是 n(r) ∝ r^−3.5， 此處r是塵埃粒子的半徑[6]。假設，彈射的塵埃粒子表面積分布為πr²n(r) ∝ r^−1.5。這顯示最小的塵埃粒子主導了這種加熱的方法[7]。

光致電離：

當電子脫離原子獲得自由（通常是吸收紫外線光子而獲得釋放，它離開時攜帶的動能是E_photon − E_ionization。 這種加熱機制在電離氫區佔主導地位。但在瀰漫的星際物質中，因為缺少中性碳原子，可以忽略不計。

X射線加熱：

X射線從原子和離子移出電子，並且這些電子可以引起二次電離。由於強度通常較低，因此這種加熱僅在溫暖、原子密度較低的物質中有效（因為柱密度很小）。例如，在分子雲中，只有硬X射線才能穿透，X射線的加熱可以忽略。這是假設該區域不靠近像超新星殘骸這樣的X射線源。

化學加熱：

當兩個氫原子（可以在塵埃顆粒表面移動）相遇時，可以結合成一個氫分子（H₂）。這個過程可以產生4.48電子伏特的能量，分布在氫分子的旋轉和振動模式上的動能，以及加熱塵埃粒子。這種動能，以及通過碰撞從氫分子受激發轉移的能量，使氣體加熱。

顆粒-氣體加熱：

氣態中的原子和分子與塵埃顆粒高密度的碰撞可以轉移熱能。因為紫外線的照射，這在電離氫區（HII）並不重要。在電離的瀰漫物質中因為密度低，它也不重要。在中性瀰漫物質中的顆粒總是在低溫狀態，由於密度低也不能有效的加熱氣體。

在密度和溫度非常高的超新星殘骸中，通過熱交換加熱顆粒就非常重要。

在巨大的分子雲中（特別是在高密度時），通過顆粒-氣體碰撞加熱佔有主導地位。由於光學深度低，遠紅外線輻射可以深入。塵埃顆粒通過這種輻射加熱，在與氣體碰撞時可以傳輸熱能。加熱的效率可以由給出的調節係數測量：

${\displaystyle \alpha ={\frac {T_{2}-T}{T_{d}-T}}}$

此處的T是氣體的溫度，T_d是塵埃顆粒的溫度，T₂是氣體原子或分子碰撞後的溫度。由（Burke & Hollenbach 1983）測量的係數是α = 0.35。

其它的加熱機制：

存在各種的宏觀加熱機制，包括：

• 雲氣的重力塌縮
• 超新星爆炸
• 星風
• 電離氫區擴張
• 超新星殘骸創造的磁流體力學波

精細結構冷卻：

除了熱氣體區域和分子雲的深處，在星際物質的大多數區域中，精細結構冷卻過程佔主導地位。它發生的效率最高，豐富的原子具有接近基態能階的精細結構能階，例如：在中性物質的C II和O I，和在電離氫區的O II、O III、N II、N III、Ne II、和Ne III。碰撞使這些原子激發到更高的能階，最終，它們會通過光子的發射來消除激發狀態，將能量帶出這個區域。

經過允許的管路冷卻：

在較低的溫度下，可以通過碰撞填充至比精細結構能階更高的能階。例如，碰撞將氫激發至n = 2能階，會導致萊曼-α光子的發射回到基態。在分子雲中，被激發的一氧化碳旋轉線非常重要。一旦分子被激發，它最終會回到最低能量狀態的基態，發射光子可以離開該區域，使雲氣冷卻。