在我們生活的宇宙中，分子 無處不在。它們在恆星、行星和生命形成的物理過程中扮演著至關重要的角色。在20世紀60年代初期，大多數天文學家認為星際氣體幾乎全部是由單個原子組成的。被觀測到的只有CN、CH、CH+和OH這少數幾種簡單的分子，那時人們認為氫分子以及更大的分子會輕被紫外線星光輕易的破壞。星際星雲中的粒子密度雖然高於周圍空間，但其實仍然是很低，因此按照推測，任何倖存的分子都會因為太過於稀薄而無法被檢測到。
○ 當一個相對緻密的氣體區域在自身的引力作用下開始坍縮時，就會形成恆星。隨著氣體不斷地被壓縮，它會逐漸的加熱，直到其內部的原子核獲得足夠高的能量來抵抗它們之間的相互排斥，並開始融合。這些核反應產生的大量的熱會形成一個足以抵抗引力的壓力，並最終形成了今天我們在夜空中看到的閃爍的穩定恆星。| 圖片來源：Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
到了1968年，物理學家Charles Townes與同事將一臺射電望遠鏡指向了在射手座B2的分子云，他們認為如果氫分子真如一些科學家所提出的那樣存在於星際空間，那麼其他分子或許也同樣如此。當研究人員首先發現了氨分子、接著是水分子時，這一預感得到了證實。自20世紀70年代以來，世界各地的科研人員進行了一系列的探測，已經確定了存在於星際介質中約200種不同類型的分子。
這些發現意味著每立方厘米的星際雲中至少含有1000個分子，而不是之前認為的每立方厘米1~10個原子。同時，分子云中含有大量的星際塵埃一事也變得清晰，這些星際塵埃是更早的恆星爆炸後留下的物質粒子，它們能夠有效地阻隔紫外線的輻射。這種額外的保護和更高的密度為這樣一個想法提供了支持——即
當大量的氣體在引力的作用下而坍縮時，就會形成恆星。然而，這種恆星形成的分子基礎暴露了自身的一些問題。在低密度的空間裡，原子若是要結合形成分子，那麼它們需要在遠距離上產生相互吸引。換句話說，離子會比中性原子能更容易形成分子。那麼離子從哪裡來呢？當宇宙射線與原子撞擊時會形成離子-電子對，從而就有了離子。在分子云內形成分子的另一種方式，是原子依附在塵埃顆粒的表面並隨之遷移，隨著時間的推移聚集在一起從而形成新的分子。
但是這並沒有解決分子如何才能逃脫紫外線星光的破壞而倖存下去的問題，這個問題曾讓理論家無比苦惱。直到20世紀80年代，有一個人在解決這個問題上脫穎而出，她所進行的研究徹底改變了我們對宇宙化學的理解，那就是Ewine van Dishoeck。她證明了儘管有些分子確實會被分解，但其他一些分子，比如水和一氧化碳（CO）則會通過選擇性地吸收分子云外層的破壞性紫外線輻射，從而對內部進行“自我屏蔽”。因此在自我屏蔽和周圍塵埃的吸收阻隔下，分子云中更深處的分子得以繼續形成恆星。
○ Ewine van Dishoeck。| 圖片來源：Henrik Sandsjö/Leiden University
在進行這項研究時，Van Dishoeck將CO的情況作為參考對象，在空間中CO比氫氣少得多，但能更有效地釋放輻 射。她計算出一個分子在特定的雲密度內，被氣體中另一個分子擊中後因旋轉、振動或電子躍遷而被激發的概率。在將星光對分子的破壞以及對氣體體積造成的影響考慮在內之後，她得到的概率結果與用射電望遠鏡觀測到的輻射強度（在分子被激發時釋放的輻射）高度匹配。
雖然van Dishoeck的學術生涯是以理論學家的身份開始的，但她的研究卻逐漸涉及到越來越的觀測數據。她對一系列水的紅外線輻射進行了分析。這些觀測數據均來自更成熟、更復雜的太空望遠鏡：原因在於儘管水在星際空間中非常少見，但它在恆星形成區域卻含量豐富。然而，水所釋放的輻射幾乎會完全地被地球大氣吸收，因此若要對它們進行研究，最好的辦法就是依賴於太空望遠鏡。
1995年，歐洲航天局發射了紅外線太空天文臺，科學家首次在紅外波段一睹了分子世界的豐富多彩。Van Dishoeck用短波光譜儀來研究塵埃顆粒表面的水的形成，她發現在密集的分子云中，塵埃顆粒完全被水冰和一氧化碳冰所覆蓋。
到了2003年，她又轉向美國宇航局的斯皮策太空望遠鏡，用它觀測到的數據來研究相對較輕的、與我們的太陽相似的恆星中發生的化學反應（在此之前僅限於較重的物體）。在仍處於形成階段的恆星周圍是旋轉的塵埃盤，Van Dishoeck和她的同事在盤中發現了水和其他分子。這些塵埃盤為恆星的形成提供了原材料，並且也是新行星的潛在誕生之地。
2009年，歐洲航天局發射了更強大的遠紅外/亞毫米望遠鏡——赫歇爾空間天文臺，對van Dishoeck的研究提供了更大的助益。在赫歇爾的幫助下，她還對“原行星盤”進行了研究。在原行星盤中，水會與塵埃顆粒粘合在一起而最終變成固體，從而形成非常年輕的行星或彗星等天體，這些天體被看作是將水輸送到行星的“搬運工”。
○ 年輕恆星TW Hydrae周圍的冰原行星盤的藝術構想圖。下：用ESA的赫歇爾太空天文臺上的HIFI光譜儀獲得的恆星盤光譜。圖片來源：ESA / NASA / JPL-Caltech / M.Hogerheijde（萊頓天文臺）
2011年，van Dishoeck和同事報告了一項測量結果，他們測量了從長蛇座TW（TW Hydrae，一顆很近的年輕恆星）恆星盤散發的冷水蒸氣。根據赫歇爾所記錄的紅外信號的強度，他們估計恆星盤中釋放這些水蒸氣的冰庫的質量，是地球上水的質量的幾千倍。
這樣的觀測結果已經十分驚豔了。然而，van Dishoeck和其他科學家很快意識到，若要從空間上對恆星形成的區域進行解析，還需要更大口徑的望遠鏡。而解決這一難題的辦法是建立一個巨大的地基天文臺——例如阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡（ALMA）。ALMA位於智利，在海拔5000米高的高處，比地球大氣中的大部分水的位置都高。它由50個天線組成、每個直徑約12米，當它們被連接在一起組成不同陣列時，可產生如同一個直徑為16公里的望遠鏡的效果。
○ ALMA。Ewine van Dishoeck 積極的參與到ALMA天文臺的建設和使用中。| 圖片來源：ESO/B. Tafreshi
通過ALMA，van Dishoeck和她的同事在銀河系中正在形成行星系統的新恆星周圍觀測到了原始星盤。他們已得到了一些非常棒的塵埃環結構的圖像，或許能將他們帶向這些恆星盤內的單個行星。除了對它們進行化學和物理學的研究之外，研究人員也在開展生物學方面的研究。
去年，van Dishoeck的小組和一個意大利/西班牙小組通過ALMA發現了來自有機分子異氰酸甲酯的一些發射譜線。這種原始生物分子位於蛇夫座星座（距離我們約400光年遠）中幾顆非常年輕的恆星周圍的塵埃和氣體中。由於它與多肽和氨基酸的合成相關，因此研究人員認為這種分子或許有助於天文學家研究地球上的生命起源。
不過，這種樂觀的期待值得謹慎。因為到目前為止，儘管科學家已進行了大量搜索，但仍沒有在恆星形成區域中發現任何氨基酸本身的明確證據。
○ Ewine van Dishoeck和她的同事利用ALMA望遠鏡在一個新誕生的恆星周圍探測到了異氰酸甲酯。| 圖片來源：ESO/Digitized Sky Survey 2/L. CalçadaImage
許多在太空中發現的新分子需要得到實驗室工作的支持，這樣研究人員就能知道這些分子發射或吸收電磁輻射的準確波長，還能掌握與分子碰撞特性有關的詳細信息等等。在一些最新的研究中，實驗證明了異氰酸甲酯可以在非常寒冷的條件下形成冰粒子，就如同星際空間中的異氰酸甲酯那樣。
這些實驗都是在van Dishoeck所在的雷頓大學進行的，在20世紀70年代，實驗天文化學家Mayo Greenberg在那裡建立了一個可以進行這些研究的實驗室。它是世界上為數不多的進行該類實驗的實驗室之一，它能提供近似於星際空間低密度、低溫度且穩定的環境。不過實驗室所產生的真空仍比太空中的密度要高出許多個數量級，但這一差距可通過一些技巧來彌補，例如將離子嵌入中性流體中來延長離子的壽命。
雖然van Dishoeck本人並不從事實驗性的工作，但慕尼黑馬克斯普朗克宇宙物理研究所的天體物理學家Reinhard Genzel說，van Dishoeck對這項工作的熟悉程度使她能夠對星際化學做出更加複雜的預測。
Van Dishoeck揭示了星際雲的生命週期及恆星和行星的形成，由於在觀測、理論和實驗天體化學方面做出的多項傑出貢獻，她被授予了2018年度的卡弗裡天體物理獎（Kavli Prize in Astrophysics）。
撰文：Edwin Cartlidge
編譯：不二北斗
參考鏈接：
http://kavliprize.org/prizes-and-laureates/prizes/2018-kavli-prize-astrophysics
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