分子云(由气体和尘埃组成的星际云)

分子云（Molecular Cloud），别名星际分子云，是大多数物质以分子形式存在的，由气体和尘埃组成的星际云。分子云中的分子主要包括氢分子（H2）、氦分子（He2）和碳分子（CO）等。

分子云的形成源于星际介质的冷却和凝聚。在宇宙的低温区域，星际介质中的氢原子会通过辐射冷却的方式失去能量，随后逐渐凝结成分子。最小的分子云质量小于一个太阳质量，巨分子云的质量高达107太阳质量。绝大多数分子气体的温度很低，在20K左右。分子云在光学波段呈现为暗云，在红外波段能探测到其中尘埃的辐射，射电波段具有丰富的分子谱线。虽然分子云中的主要分子是氢分子，但是，观测上示踪分子云最常用的是一氧化碳分子。分子云温度低、密度高，有种类丰富的分子，是恒星形成的场所。根据光学波段消光AV的大小，分子云被分成弥漫分子云、半透明云、暗云和红外暗云；分子云按质量可分为巨分子云复合体、暗云复合体、巨分子云、暗云、恒星形成团块、分子云核。

分子云——这些由气体和尘埃构成的广袤区域——在恒星形成过程中起着至关重要的作用。它们是恒星与行星的诞生地，塑造着星系结构并影响着宇宙演化。理解这些云团，能帮助科学家揭开宇宙的奥秘。从氢分子的组成到孕育新恒星的使命，分子云令人着迷。它们并非仅是气体的随意聚集，而是动态且不断变化的结构。观测它们能让人们洞察恒星的生命周期与行星系的形成过程。

分子云是在20世纪70年代进行的CO（一氧化碳）射电中国空间站工程巡天望远镜中发现的。

定义

发现

长时期来人们认为在紫外辐射作用下星际空间不可能存在大量的稳定分子。兼之，局于观测波段的限制，虽早在1937年Dumburg和Aadams即已发现CH、CH+和CN的紫外吸收谱线，但此后工作却中缀。直到二十年后人们才以射电天文观测手段探测到微波波段的星际分子谱线。1946年Shkolovsky预言在星际空间可能观测到微波波段的分子谱线。1957年Townes进一步阐明这一概念，并指出在星际介质中可能发现诸如OH、H2CO等分子的谱线。1959年Ehrenstein和Townes在实验室精确地测定了OH双线的跃迁频率。1963年Weinreb和Barrett根据上述频率值采用傅里叶变换等新技术在Cas A射电源处观测到OH双线的吸收谱线。继而1964年Bolton、Robinson，1965年Weaver等人又在Orion A、W3、银心，发现OH双线的发射谱线。

系统地对星际分子的搜索，对观测资料的分析则发端于1968年。Cheung和Snyder等人在Sgr A、Sgr B、Orion A和W49等处探测到NH3、H2O、H2CO的谱线。此后，星际分子的发现和证认与日俱增。其中既有最简单的双原子分子，又有结构复杂的多原子分子。有些分子是地球环境下常见的，有些则在地球天然条件下和实验室中从未出现过。这些形形色色的分子散布于HII区，星云、银心、拱星包层及弥散的星际介质中。河外星系也发现了它们的踪迹。20世纪70年代，分子云是在进行CO（一氧化碳）射电中国空间站工程巡天望远镜中发现的。

性质与特征

性质

（1）高密度：分子云的密度相对较高，其密度范围通常在104至106立方厘米之间，这是恒星形成所必需的环境条件。（2）低温：分子云的温度相对较低，一般维持在10至30开尔文之间，这是因为分子云中的分子在相互碰撞时释放的能量较小。（3）辐射场：分子云内部存在着较强的辐射场，这些辐射主要来源于恒星以及超新星爆发等天文现象。

分子云的化学组成十分复杂，主要包括以下几种关键成分：（1）氢分子（H2）：在分子云中，氢分子是最为丰富的分子，占据了分子云总质量的99%以上。它在分子云中扮演着至关重要的角色，如参与恒星的形成过程，以及维持分子云的稳定性等。（2）碳分子（主要以CO形态存在）：碳分子是分子云中第二丰富的分子，约占总质量的1%左右。碳分子在分子云中存在多种形态，如CO、C2等，这些形态对分子云的物理和化学性质产生了重要影响。（3）氮分子（CN）：氮分子在分子云中也是一种重要的分子，其丰度约为CO的10%。氮分子同样在分子云中发挥着重要作用，如参与分子云的稳定性维持和化学演化等过程。（4）硅分子（SiO）：硅分子在分子云中相对稀有，其丰度约为CO的0.01%。然而，尽管其丰度较低，硅分子在分子云中仍然具有多种形态，如SiO、SiO2等，这些形态对分子云的化学性质产生了重要影响。

特征

分子云通常具有丝状、团块状或弥漫状的结构特征，其规模大小可以从几十光年延伸至几千光年不等。分子云内部结构复杂，包含多种不同尺度的结构，如分子云核、分子云团、分子云丝等。根据分子云的密度和温度差异，可以将其结构划分为冷云和热云两大类。冷云主要由尘埃和分子构成，其温度相对较低。在形态上，冷云通常呈现为球形或椭圆形，这种规则的形态可能与其内部物质分布和动力学过程有关。热云则主要由氢原子组成，其温度相对较高。与冷云相比，热云的形态更为不规则，这可能与热云内部更为复杂的物理过程和更高的能量状态有关。综上所述，分子云根据其密度和温度的不同，可以分为冷云和热云，两者在组成成分、温度和形态上均存在显著差异。

分类

根据光学波段消光A分类

根据光学波段消光A的大小，单个云被分成弥漫云、半透明云、暗云和红外暗云，如表1所示。

暗云

暗云是银河系中不发光的弥漫物质所形成的云雾状天体。如果气体尘埃星云附近没有恒星，则星云将是暗的，即为暗星云。简称暗云。它们的形状和大小是多种多样的。小的只有太阳质量的百分之几到千分之几，是出现在一些亮星云背景上的球状体；大的有几十到几百个太阳的质量，有的甚至更大。它们内部的物质密度也相差悬殊。F.W.威廉·赫歇尔（Friedrich Wilhelm Herschel，1738-11-15~1822-8-25）及其儿子于1784年首次注意到明亮的银河中有一些黑斑和暗条。后来的照相研究表明，这种现象是由于一些位于恒星前面的不发光的弥漫物质造成的。这种暗区在银河系中很多，最明显的是天鹅座的暗区，银河被分割成为向南延伸的两个分支。有些暗星云和亮星云在一起，如位于猎户ζ南面的有名的马头星云（图1），它是一个很大的暗星云的一部分，“马头”四周的光芒是从亮星云发出的。蛇夫座S状暗星云和烟斗星云（图2）也是不透明的暗星云。但在云层较薄时，仍可看到一些光度被大大减弱了的恒星，所以在这个天区所看到的星体，就比没有暗星云的天区稀疏得多。

按质量分类

巨分子云和分子云复合体的分类判据主要是质量，它们的分类如表2所示。

分子云核

分子云核是指分子云中心密度和温度最高的区域，是恒星形成的主要场所。分子云核的温度通常在10～30K之间，而其密度则高达106cm-3以上。

形成机制

分子云的形成机制是分子云动力学领域研究的核心内容，它主要探讨了星际介质（ISM）内部分子、尘埃以及磁场之间的相互作用关系。分子云的形成与多种天文现象密切相关，包括恒星的形成过程、超新星的爆发事件以及星际物质的流动等，这些因素共同影响着分子云的诞生。一些研究人员提出了一个观点，即分子云的形成可能与ISM中的磁场和分子密度分布有着紧密的联系。磁场在这一过程中扮演着重要角色，它通过引力不稳定性和磁流体动力学过程，对分子云的形成和演化产生深远影响。为了更深入地理解分子云形成的物理机制，科学家们正在利用数值模拟的方法，探索分子云形成过程中的关键参数，如密度、温度以及磁场强度等。这些研究有望为人们揭示分子云形成的奥秘，进一步推动天文学领域的发展。

分子云的形成源于星际介质的冷却和凝聚。在宇宙的低温区域，星际介质中的氢原子通过辐射冷却失去能量，逐渐凝结成分子。形成分子云的主要物质是氢分子（H2），它们在星际介质中通过化学反应和分子间的碰撞形成。

演化过程

原分子云阶段

分子云的演化过程可以分为以下几个阶段：原分子云阶段：星际分子云的演化始于原分子云的形成。这些云主要由氢和氦组成，具有较低的温度和较高的密度。它们的形成通常与超新星爆炸或恒星演化的晚期事件相关联，这些事件释放大量能量和物质，促进了星际介质中分子云的形成。在此阶段，分子云的尺度可达数十至数万光年，密度约为每立方厘米几十至几百个分子。

星前云阶段

随着时间的推移，原分子云逐渐收缩并变得更加密集，进而形成星前云。星前云的密度进一步增加，温度降低，有利于分子的形成。这些分子云中的温度通常在10至100K之间，足以维持分子的稳定存在。在星前云中，分子通过复杂的化学键结合，形成各种有机化合物和自由基。

热分子云阶段

在星前云进一步收缩的过程中，其密度和温度会持续上升，直至形成热分子云。这些热分子云的温度范围大致在100至1000K之间，这样的温度条件加速了某些分子的形成与消亡过程。在这一阶段，分子云会展现出复杂的结构特征，包括云核、云丝以及云泡等形态。尤为重要的是，热分子云中的分子云核区域，是恒星形成的主要场所，这里活跃着大量的恒星形成活动。

恒星形成阶段

当热分子云内部的密度和温度达到某个临界值时，恒星的形成过程便拉开了序幕。此时，分子云中的气体与尘埃开始发生坍缩，逐渐凝聚成一个或多个原恒星。这些原恒星周围，会形成一个由尘埃和气体构成的原行星盘，这个盘状结构正是行星系得以形成的基础。恒星的形成过程通常需要经历数万乃至数十万年的漫长时光。

主序星阶段

经过原恒星阶段后，恒星会进入主序星阶段。在这一阶段，恒星通过核聚变过程稳定地燃烧氢，以此来维持其能量输出。主序星阶段的恒星是星系中最常见的恒星形态，它们的寿命差异极大，可以从数亿年延续至数百亿年不等。

恒星演化后期阶段

当恒星中的氢燃料逐渐耗尽时，它会开始进入演化后期阶段。在这一阶段，恒星可能会发生显著的变化，例如膨胀成红巨星，甚至在某些情况下会爆发成超新星。超新星爆炸是一种极为壮观的天文现象，它会释放出巨大的能量和物质。这些被释放的物质会重新返回到星际介质中，为新的分子云的形成提供条件，从而进一步促进恒星的诞生和演化。星际分子云的演化是一个复杂的过程，涉及多种物理和化学过程。通过对星际分子云的观测和研究，天文学家能够更好地理解恒星的形成和宇宙中的物质循环。目前，科学家们已经通过对分子云中分子的光谱分析、分子线观测以及星际分子的化学组成研究，对星际分子云的演化过程有了较为深入的认识。

观测

概述

分子云是宇宙中恒星形成的主要场所，其观测研究对于理解恒星的形成与演化过程具有重要意义。分子云的观测方法主要包括射电观测、光学观测、红外观测。

射电观测

射电观测是分子云观测的主要手段之一。它利用射电望远镜对分子云中的分子氢进行观测。分子氢是宇宙中最丰富的分子，其发射特征波长为21厘米，这一波段被称为“氢线”。（1）选择观测波段：在进行射电观测时，首先需要选择21厘米波段进行观测，因为这个波段属于长波射电波段，不易受大气噪声的干扰。（2）选择观测目标：根据研究目的，选择合适的分子云进行观测。例如，观测银河系内的猎户座大分子云、M17分子云等。（3）调整望远镜参数：针对所选观测目标，需调整望远镜的指向、焦距、增益等参数，确保观测质量达到最佳。（4）进行观测：启动射电望远镜，对分子云进行正式观测。在观测期间，需详细记录分子云的强度、形状等关键信息。（5）数据处理：对收集到的观测数据进行预处理，步骤包括去噪、滤波、去闪烁等，以提升数据质量。随后，对处理后的数据进行图像重建，从而得到分子云的分布图。（6）分析与解释：基于分子云的分布图，深入分析其结构、形态、运动等特征，进而解释分子云的形成与演化机制。

光学观测

光学观测是观测分子云的另一种关键手段，主要通过光学望远镜对分子云中的恒星和分子进行观测。光学观测的主要步骤概述如下：（1）选择观测波段：分子云中的恒星和分子发射的光线波长覆盖了从紫外到红外波段，因此，根据研究目的，需要选择合适的波段进行观测。（2）选择观测目标：依据研究的具体目标，应选择适合的分子云进行观测。例如，可以观测位于银河系内的奥米克龙分子云、M78分子云等。（3）调整望远镜参数：在确定了观测目标后，需要根据目标的特点，调整望远镜的指向、焦距、增益等参数，以确保观测的质量。（4）进行观测：开启光学望远镜，开始对选定的分子云进行观测。在观测过程中，需要详细记录下恒星和分子的亮度、颜色等关键信息。（5）数据处理：观测完成后，需要对收集到的数据进行预处理，这包括去噪、滤波、去闪烁等步骤。处理完成后，再对数据进行图像重建，从而得到分子云的分布图。（6）分析与解释：最后，根据得到的分子云分布图，对其结构、形态、运动等信息进行深入分析，并据此解释分子云的形成与演化过程。

红外观测

红外观测也是分子云观测的重要手段。利用红外望远镜，可以对分子云中的分子、尘埃和星际分子进行观测，以获取更多关于分子云的信息。红外观测的主要步骤与上述光学观测类似，但使用的望远镜和观测方法有所不同。（1）选择观测波段时，需考虑分子云中的分子、尘埃和星际分子发射的红外光线波长，这些波长覆盖了从近红外到远红外波段。根据具体的研究目的，应挑选合适的波段进行观测。（2）接着，需确定观测目标。这同样依赖于研究目的，需选择恰当的分子云进行观测。例如，可以观测银河系内的M42猎户座分子云或M16马头星云等著名分子云。（3）在观测前，需调整望远镜的参数。这包括望远镜的指向，以确保其对准观测目标；焦距的调整，以获得清晰的观测图像；以及增益的设置，以保证观测数据的准确性。（4）观测过程中，需开启红外望远镜，对分子云进行持续观测。同时，记录下分子、尘埃和星际分子的亮度、颜色等关键信息，这些信息对于后续的数据处理和分析至关重要。（5）观测完成后，需对观测数据进行预处理。这包括去噪，以消除数据中的噪声干扰；滤波，以平滑数据并提取有用信息；以及去闪烁，以减少数据中的闪烁现象。处理后的数据将进行图像重建，从而得到分子云的分布图。（6）最后，根据分子云的分布图，需对其结构、形态、运动等信息进行深入分析。通过这些分析，可以解释分子云的形成与演化过程，从而进一步理解宇宙的奥秘。

重大事件

2022年1月，“500米口径球面射电望远镜”成为全球科技界的“明星”。中国科学家和国际团队合作，破解了多个“宇宙密码”：“磁通量问题”是恒星形成中经典三大难题之一，分子云的星际磁场强度测量是全球天文界的共性挑战。“天眼”为科学家攻克难题创造了条件。结果，将恒星形成的时间从上千万年减少到百万年。快速射电暴是宇宙中最明亮的射电爆发现象，起源未知，是天文学最新热点之一。国际合作团队利用“天眼”对快速射电暴FRB121102进行观测，在约50天内探测到1652次爆发事件，获得迄今最大的快速射电暴爆发事件样本，超过此前本领域所有文章发表的爆发事件总量。“500米口径球面射电望远镜”运行两年来，年观测时长超过5300小时，工作效率远超国际同行预期。截至目前，共发现约500颗脉冲星，成为自其运行以来世界上发现脉冲星效率最高的设备。“天眼”是国之重器，它使中国人占据了世界天文学的制高点。而重器始终还是机器，取得一系列重大突破的还是人。从古至今，一代代科学家仰望星空，充满想象，层层揭开了宇宙的秘密。

研究意义

参考资料

分子云.中国大百科全书.2025-05-18

星际分子云.中国大百科全书.2025-05-18

23 Facts About Molecular Clouds.facts.2025-05-18

暗星云.中国大百科全书.2025-05-24

深度思考激发“科创灵感”.百家号.2025-05-18

分子云

定义

发现