分子云（Molecular Cloud），別名星際分子云，是大多數(shù)物質(zhì)以分子形式存在的，由氣體和塵埃組成的星際云。分子云中的分子主要包括氫分子（H2）、氦分子（He2）和碳分子（CO）等。
分子云的形成源于星際介質(zhì)的冷卻和凝聚。在宇宙的低溫區(qū)域，星際介質(zhì)中的氫原子會通過輻射冷卻的方式失去能量，隨后逐漸凝結(jié)成分子。最小的分子云質(zhì)量小于一個(gè)太陽質(zhì)量，巨分子云的質(zhì)量高達(dá)107太陽質(zhì)量。絕大多數(shù)分子氣體的溫度很低，在20K左右。分子云在光學(xué)波段呈現(xiàn)為暗云，在紅外波段能探測到其中塵埃的輻射，射電波段具有豐富的分子譜線。雖然分子云中的主要分子是氫分子，但是，觀測上示蹤分子云最常用的是一氧化碳分子。分子云溫度低、密度高，有種類豐富的分子，是恒星形成的場所。根據(jù)光學(xué)波段消光AV的大小，分子云被分成彌漫分子云、半透明云、暗云和紅外暗云；分子云按質(zhì)量可分為巨分子云復(fù)合體、暗云復(fù)合體、巨分子云、暗云、恒星形成團(tuán)塊、分子云核。
分子云——這些由氣體和塵埃構(gòu)成的廣袤區(qū)域——在恒星形成過程中起著至關(guān)重要的作用。它們是恒星與行星的誕生地，塑造著星系結(jié)構(gòu)并影響著宇宙演化。理解這些云團(tuán)，能幫助科學(xué)家揭開宇宙的奧秘。從氫分子的組成到孕育新恒星的使命，分子云令人著迷。它們并非僅是氣體的隨意聚集，而是動態(tài)且不斷變化的結(jié)構(gòu)。觀測它們能讓人們洞察恒星的生命周期與行星系的形成過程。
分子云是在20世紀(jì)70年代進(jìn)行的CO（一氧化碳）射電中國空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡中發(fā)現(xiàn)的。
定義
分子云（Molecular Cloud），別名星際分子云，是大多數(shù)物質(zhì)以分子形式存在的，由氣體和塵埃組成的星際云。分子云中的分子主要包括氫分子（H2）、氦分子（He2）和碳分子（CO）等。
發(fā)現(xiàn)
長時(shí)期來人們認(rèn)為在紫外輻射作用下星際空間不可能存在大量的穩(wěn)定分子。兼之，局于觀測波段的限制，雖早在1937年Dumburg和Aadams即已發(fā)現(xiàn)CH、CH+和CN的紫外吸收譜線，但此后工作卻中綴。直到二十年后人們才以射電天文觀測手段探測到微波波段的星際分子譜線。1946年Shkolovsky預(yù)言在星際空間可能觀測到微波波段的分子譜線。1957年Townes進(jìn)一步闡明這一概念，并指出在星際介質(zhì)中可能發(fā)現(xiàn)諸如OH、H2CO等分子的譜線。1959年Ehrenstein和Townes在實(shí)驗(yàn)室精確地測定了OH雙線的躍遷頻率。1963年Weinreb和Barrett根據(jù)上述頻率值采用傅里葉變換等新技術(shù)在Cas A射電源處觀測到OH雙線的吸收譜線。繼而1964年Bolton、Robinson，1965年Weaver等人又在Orion A、W3、銀心，發(fā)現(xiàn)OH雙線的發(fā)射譜線。
系統(tǒng)地對星際分子的搜索，對觀測資料的分析則發(fā)端于1968年。Cheung和Snyder等人在Sgr A、Sgr B、Orion A和W49等處探測到NH3、H2O、H2CO的譜線。此后，星際分子的發(fā)現(xiàn)和證認(rèn)與日俱增。其中既有最簡單的雙原子分子，又有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多原子分子。有些分子是地球環(huán)境下常見的，有些則在地球天然條件下和實(shí)驗(yàn)室中從未出現(xiàn)過。這些形形色色的分子散布于HII區(qū)，星云、銀心、拱星包層及彌散的星際介質(zhì)中。河外星系也發(fā)現(xiàn)了它們的蹤跡。20世紀(jì)70年代，分子云是在進(jìn)行CO（一氧化碳）射電中國空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡中發(fā)現(xiàn)的。
性質(zhì)與特征
性質(zhì)
（1）高密度：分子云的密度相對較高，其密度范圍通常在104至106立方厘米之間，這是恒星形成所必需的環(huán)境條件。（2）低溫：分子云的溫度相對較低，一般維持在10至30開爾文之間，這是因?yàn)榉肿釉浦械姆肿釉谙嗷ヅ鲎矔r(shí)釋放的能量較小。（3）輻射場：分子云內(nèi)部存在著較強(qiáng)的輻射場，這些輻射主要來源于恒星以及超新星爆發(fā)等天文現(xiàn)象。
分子云的化學(xué)組成十分復(fù)雜，主要包括以下幾種關(guān)鍵成分：（1）氫分子（H2）：在分子云中，氫分子是最為豐富的分子，占據(jù)了分子云總質(zhì)量的99%以上。它在分子云中扮演著至關(guān)重要的角色，如參與恒星的形成過程，以及維持分子云的穩(wěn)定性等。（2）碳分子（主要以CO形態(tài)存在）：碳分子是分子云中第二豐富的分子，約占總質(zhì)量的1%左右。碳分子在分子云中存在多種形態(tài)，如CO、C2等，這些形態(tài)對分子云的物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。（3）氮分子（CN）：氮分子在分子云中也是一種重要的分子，其豐度約為CO的10%。氮分子同樣在分子云中發(fā)揮著重要作用，如參與分子云的穩(wěn)定性維持和化學(xué)演化等過程。（4）硅分子（SiO）：硅分子在分子云中相對稀有，其豐度約為CO的0.01%。然而，盡管其豐度較低，硅分子在分子云中仍然具有多種形態(tài)，如SiO、SiO2等，這些形態(tài)對分子云的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。
特征
分子云通常具有絲狀、團(tuán)塊狀或彌漫狀的結(jié)構(gòu)特征，其規(guī)模大小可以從幾十光年延伸至幾千光年不等。分子云內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多種不同尺度的結(jié)構(gòu)，如分子云核、分子云團(tuán)、分子云絲等。根據(jù)分子云的密度和溫度差異，可以將其結(jié)構(gòu)劃分為冷云和熱云兩大類。冷云主要由塵埃和分子構(gòu)成，其溫度相對較低。在形態(tài)上，冷云通常呈現(xiàn)為球形或橢圓形，這種規(guī)則的形態(tài)可能與其內(nèi)部物質(zhì)分布和動力學(xué)過程有關(guān)。熱云則主要由氫原子組成，其溫度相對較高。與冷云相比，熱云的形態(tài)更為不規(guī)則，這可能與熱云內(nèi)部更為復(fù)雜的物理過程和更高的能量狀態(tài)有關(guān)。綜上所述，分子云根據(jù)其密度和溫度的不同，可以分為冷云和熱云，兩者在組成成分、溫度和形態(tài)上均存在顯著差異。
相關(guān)影響
分子云中的磁場對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、動力學(xué)演化以及恒星形成起著至關(guān)重要的作用。磁場具有雙重作用：一方面可以穩(wěn)定分子云，抑制恒星的形成；另一方面也能引導(dǎo)物質(zhì)的流動，從而形成復(fù)雜的分子云結(jié)構(gòu)。對分子云中磁場作用的研究，對于深入理解恒星的形成過程以及星系的演化具有極其重要的意義。分子云構(gòu)成了恒星形成的基礎(chǔ)，它在星系演化過程中扮演著至關(guān)重要的角色。分子云的多種物理參數(shù)，包括其密度、溫度以及化學(xué)成分，共同決定了星系內(nèi)部恒星的形成速度和類型。深入研究分子云與星系演化之間的關(guān)聯(lián)，有助于人們更全面地理解星系的形成過程、演化路徑以及結(jié)構(gòu)變化。
分類
根據(jù)光學(xué)波段消光A分類
根據(jù)光學(xué)波段消光A的大小，單個(gè)云被分成彌漫云、半透明云、暗云和紅外暗云，如表1所示。
暗云
暗云是銀河系中不發(fā)光的彌漫物質(zhì)所形成的云霧狀天體。如果氣體塵埃星云附近沒有恒星，則星云將是暗的，即為暗星云。簡稱暗云。它們的形狀和大小是多種多樣的。小的只有太陽質(zhì)量的百分之幾到千分之幾，是出現(xiàn)在一些亮星云背景上的球狀體；大的有幾十到幾百個(gè)太陽的質(zhì)量，有的甚至更大。它們內(nèi)部的物質(zhì)密度也相差懸殊。F.W.威廉·赫歇爾（Friedrich Wilhelm Herschel，1738-11-15~1822-8-25）及其兒子于1784年首次注意到明亮的銀河中有一些黑斑和暗條。后來的照相研究表明，這種現(xiàn)象是由于一些位于恒星前面的不發(fā)光的彌漫物質(zhì)造成的。這種暗區(qū)在銀河系中很多，最明顯的是天鵝座的暗區(qū)，銀河被分割成為向南延伸的兩個(gè)分支。有些暗星云和亮星云在一起，如位于獵戶ζ南面的有名的馬頭星云（圖1），它是一個(gè)很大的暗星云的一部分，“馬頭”四周的光芒是從亮星云發(fā)出的。蛇夫座S狀暗星云和煙斗星云（圖2）也是不透明的暗星云。但在云層較薄時(shí)，仍可看到一些光度被大大減弱了的恒星，所以在這個(gè)天區(qū)所看到的星體，就比沒有暗星云的天區(qū)稀疏得多。
按質(zhì)量分類
巨分子云和分子云復(fù)合體的分類判據(jù)主要是質(zhì)量，它們的分類如表2所示。
分子云核
分子云核是指分子云中心密度和溫度最高的區(qū)域，是恒星形成的主要場所。分子云核的溫度通常在10～30K之間，而其密度則高達(dá)106cm-3以上。
形成機(jī)制
分子云的形成機(jī)制是分子云動力學(xué)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容，它主要探討了星際介質(zhì)（ISM）內(nèi)部分子、塵埃以及磁場之間的相互作用關(guān)系。分子云的形成與多種天文現(xiàn)象密切相關(guān)，包括恒星的形成過程、超新星的爆發(fā)事件以及星際物質(zhì)的流動等，這些因素共同影響著分子云的誕生。一些研究人員提出了一個(gè)觀點(diǎn)，即分子云的形成可能與ISM中的磁場和分子密度分布有著緊密的聯(lián)系。磁場在這一過程中扮演著重要角色，它通過引力不穩(wěn)定性和磁流體動力學(xué)過程，對分子云的形成和演化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。為了更深入地理解分子云形成的物理機(jī)制，科學(xué)家們正在利用數(shù)值模擬的方法，探索分子云形成過程中的關(guān)鍵參數(shù)，如密度、溫度以及磁場強(qiáng)度等。這些研究有望為人們揭示分子云形成的奧秘，進(jìn)一步推動天文學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
分子云的形成源于星際介質(zhì)的冷卻和凝聚。在宇宙的低溫區(qū)域，星際介質(zhì)中的氫原子通過輻射冷卻失去能量，逐漸凝結(jié)成分子。形成分子云的主要物質(zhì)是氫分子（H2），它們在星際介質(zhì)中通過化學(xué)反應(yīng)和分子間的碰撞形成。
演化過程
原分子云階段
分子云的演化過程可以分為以下幾個(gè)階段：原分子云階段：星際分子云的演化始于原分子云的形成。這些云主要由氫和氦組成，具有較低的溫度和較高的密度。它們的形成通常與超新星爆炸或恒星演化的晚期事件相關(guān)聯(lián)，這些事件釋放大量能量和物質(zhì)，促進(jìn)了星際介質(zhì)中分子云的形成。在此階段，分子云的尺度可達(dá)數(shù)十至數(shù)萬光年，密度約為每立方厘米幾十至幾百個(gè)分子。
星前云階段
隨著時(shí)間的推移，原分子云逐漸收縮并變得更加密集，進(jìn)而形成星前云。星前云的密度進(jìn)一步增加，溫度降低，有利于分子的形成。這些分子云中的溫度通常在10至100K之間，足以維持分子的穩(wěn)定存在。在星前云中，分子通過復(fù)雜的化學(xué)鍵結(jié)合，形成各種有機(jī)化合物和自由基。
熱分子云階段
在星前云進(jìn)一步收縮的過程中，其密度和溫度會持續(xù)上升，直至形成熱分子云。這些熱分子云的溫度范圍大致在100至1000K之間，這樣的溫度條件加速了某些分子的形成與消亡過程。在這一階段，分子云會展現(xiàn)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，包括云核、云絲以及云泡等形態(tài)。尤為重要的是，熱分子云中的分子云核區(qū)域，是恒星形成的主要場所，這里活躍著大量的恒星形成活動。
恒星形成階段
當(dāng)熱分子云內(nèi)部的密度和溫度達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，恒星的形成過程便拉開了序幕。此時(shí)，分子云中的氣體與塵埃開始發(fā)生坍縮，逐漸凝聚成一個(gè)或多個(gè)原恒星。這些原恒星周圍，會形成一個(gè)由塵埃和氣體構(gòu)成的原行星盤，這個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)正是行星系得以形成的基礎(chǔ)。恒星的形成過程通常需要經(jīng)歷數(shù)萬乃至數(shù)十萬年的漫長時(shí)光。
主序星階段
經(jīng)過原恒星階段后，恒星會進(jìn)入主序星階段。在這一階段，恒星通過核聚變過程穩(wěn)定地燃燒氫，以此來維持其能量輸出。主序星階段的恒星是星系中最常見的恒星形態(tài)，它們的壽命差異極大，可以從數(shù)億年延續(xù)至數(shù)百億年不等。
恒星演化后期階段
當(dāng)恒星中的氫燃料逐漸耗盡時(shí)，它會開始進(jìn)入演化后期階段。在這一階段，恒星可能會發(fā)生顯著的變化，例如膨脹成紅巨星，甚至在某些情況下會爆發(fā)成超新星。超新星爆炸是一種極為壯觀的天文現(xiàn)象，它會釋放出巨大的能量和物質(zhì)。這些被釋放的物質(zhì)會重新返回到星際介質(zhì)中，為新的分子云的形成提供條件，從而進(jìn)一步促進(jìn)恒星的誕生和演化。星際分子云的演化是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及多種物理和化學(xué)過程。通過對星際分子云的觀測和研究，天文學(xué)家能夠更好地理解恒星的形成和宇宙中的物質(zhì)循環(huán)。目前，科學(xué)家們已經(jīng)通過對分子云中分子的光譜分析、分子線觀測以及星際分子的化學(xué)組成研究，對星際分子云的演化過程有了較為深入的認(rèn)識。
觀測
概述
分子云是宇宙中恒星形成的主要場所，其觀測研究對于理解恒星的形成與演化過程具有重要意義。分子云的觀測方法主要包括射電觀測、光學(xué)觀測、紅外觀測。
射電觀測
射電觀測是分子云觀測的主要手段之一。它利用射電望遠(yuǎn)鏡對分子云中的分子氫進(jìn)行觀測。分子氫是宇宙中最豐富的分子，其發(fā)射特征波長為21厘米，這一波段被稱為“氫線”。（1）選擇觀測波段：在進(jìn)行射電觀測時(shí)，首先需要選擇21厘米波段進(jìn)行觀測，因?yàn)檫@個(gè)波段屬于長波射電波段，不易受大氣噪聲的干擾。（2）選擇觀測目標(biāo)：根據(jù)研究目的，選擇合適的分子云進(jìn)行觀測。例如，觀測銀河系內(nèi)的獵戶座大分子云、M17分子云等。（3）調(diào)整望遠(yuǎn)鏡參數(shù)：針對所選觀測目標(biāo)，需調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的指向、焦距、增益等參數(shù)，確保觀測質(zhì)量達(dá)到最佳。（4）進(jìn)行觀測：啟動射電望遠(yuǎn)鏡，對分子云進(jìn)行正式觀測。在觀測期間，需詳細(xì)記錄分子云的強(qiáng)度、形狀等關(guān)鍵信息。（5）數(shù)據(jù)處理：對收集到的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，步驟包括去噪、濾波、去閃爍等，以提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。隨后，對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，從而得到分子云的分布圖。（6）分析與解釋：基于分子云的分布圖，深入分析其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、運(yùn)動等特征，進(jìn)而解釋分子云的形成與演化機(jī)制。
光學(xué)觀測
光學(xué)觀測是觀測分子云的另一種關(guān)鍵手段，主要通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對分子云中的恒星和分子進(jìn)行觀測。光學(xué)觀測的主要步驟概述如下：（1）選擇觀測波段：分子云中的恒星和分子發(fā)射的光線波長覆蓋了從紫外到紅外波段，因此，根據(jù)研究目的，需要選擇合適的波段進(jìn)行觀測。（2）選擇觀測目標(biāo)：依據(jù)研究的具體目標(biāo)，應(yīng)選擇適合的分子云進(jìn)行觀測。例如，可以觀測位于銀河系內(nèi)的奧米克龍分子云、M78分子云等。（3）調(diào)整望遠(yuǎn)鏡參數(shù)：在確定了觀測目標(biāo)后，需要根據(jù)目標(biāo)的特點(diǎn)，調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的指向、焦距、增益等參數(shù)，以確保觀測的質(zhì)量。（4）進(jìn)行觀測：開啟光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，開始對選定的分子云進(jìn)行觀測。在觀測過程中，需要詳細(xì)記錄下恒星和分子的亮度、顏色等關(guān)鍵信息。（5）數(shù)據(jù)處理：觀測完成后，需要對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，這包括去噪、濾波、去閃爍等步驟。處理完成后，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，從而得到分子云的分布圖。（6）分析與解釋：最后，根據(jù)得到的分子云分布圖，對其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、運(yùn)動等信息進(jìn)行深入分析，并據(jù)此解釋分子云的形成與演化過程。
紅外觀測
紅外觀測也是分子云觀測的重要手段。利用紅外望遠(yuǎn)鏡，可以對分子云中的分子、塵埃和星際分子進(jìn)行觀測，以獲取更多關(guān)于分子云的信息。紅外觀測的主要步驟與上述光學(xué)觀測類似，但使用的望遠(yuǎn)鏡和觀測方法有所不同。（1）選擇觀測波段時(shí)，需考慮分子云中的分子、塵埃和星際分子發(fā)射的紅外光線波長，這些波長覆蓋了從近紅外到遠(yuǎn)紅外波段。根據(jù)具體的研究目的，應(yīng)挑選合適的波段進(jìn)行觀測。（2）接著，需確定觀測目標(biāo)。這同樣依賴于研究目的，需選擇恰當(dāng)?shù)姆肿釉七M(jìn)行觀測。例如，可以觀測銀河系內(nèi)的M42獵戶座分子云或M16馬頭星云等著名分子云。（3）在觀測前，需調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的參數(shù)。這包括望遠(yuǎn)鏡的指向，以確保其對準(zhǔn)觀測目標(biāo)；焦距的調(diào)整，以獲得清晰的觀測圖像；以及增益的設(shè)置，以保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。（4）觀測過程中，需開啟紅外望遠(yuǎn)鏡，對分子云進(jìn)行持續(xù)觀測。同時(shí)，記錄下分子、塵埃和星際分子的亮度、顏色等關(guān)鍵信息，這些信息對于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析至關(guān)重要。（5）觀測完成后，需對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。這包括去噪，以消除數(shù)據(jù)中的噪聲干擾；濾波，以平滑數(shù)據(jù)并提取有用信息；以及去閃爍，以減少數(shù)據(jù)中的閃爍現(xiàn)象。處理后的數(shù)據(jù)將進(jìn)行圖像重建，從而得到分子云的分布圖。（6）最后，根據(jù)分子云的分布圖，需對其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、運(yùn)動等信息進(jìn)行深入分析。通過這些分析，可以解釋分子云的形成與演化過程，從而進(jìn)一步理解宇宙的奧秘。
重大事件
2022年1月，“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”成為全球科技界的“明星”。中國科學(xué)家和國際團(tuán)隊(duì)合作，破解了多個(gè)“宇宙密碼”：“磁通量問題”是恒星形成中經(jīng)典三大難題之一，分子云的星際磁場強(qiáng)度測量是全球天文界的共性挑戰(zhàn)。“天眼”為科學(xué)家攻克難題創(chuàng)造了條件。結(jié)果，將恒星形成的時(shí)間從上千萬年減少到百萬年。快速射電暴是宇宙中最明亮的射電爆發(fā)現(xiàn)象，起源未知，是天文學(xué)最新熱點(diǎn)之一。國際合作團(tuán)隊(duì)利用“天眼”對快速射電暴FRB121102進(jìn)行觀測，在約50天內(nèi)探測到1652次爆發(fā)事件，獲得迄今最大的快速射電暴爆發(fā)事件樣本，超過此前本領(lǐng)域所有文章發(fā)表的爆發(fā)事件總量?！?a href="/hebeideji/7273017892579688463.html">500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”運(yùn)行兩年來，年觀測時(shí)長超過5300小時(shí)，工作效率遠(yuǎn)超國際同行預(yù)期。截至目前，共發(fā)現(xiàn)約500顆脈沖星，成為自其運(yùn)行以來世界上發(fā)現(xiàn)脈沖星效率最高的設(shè)備?！疤煅邸笔菄仄鳎怪袊苏紦?jù)了世界天文學(xué)的制高點(diǎn)。而重器始終還是機(jī)器，取得一系列重大突破的還是人。從古至今，一代代科學(xué)家仰望星空，充滿想象，層層揭開了宇宙的秘密。
研究意義
分子云——這些由氣體和塵埃構(gòu)成的廣袤區(qū)域——在恒星形成過程中起著至關(guān)重要的作用。它們是恒星與行星的誕生地，塑造著星系結(jié)構(gòu)并影響著宇宙演化。理解這些云團(tuán)，能幫助科學(xué)家揭開宇宙的奧秘。從氫分子的組成到孕育新恒星的使命，分子云令人著迷。它們并非僅是氣體的隨意聚集，而是動態(tài)且不斷變化的結(jié)構(gòu)。觀測它們能讓人們洞察恒星的生命周期與行星系的形成過程。
參考資料 >
分子云.中國大百科全書.2025-05-18
星際分子云.中國大百科全書.2025-05-18
23 Facts About Molecular Clouds.facts.2025-05-18
暗星云.中國大百科全書.2025-05-24
深度思考激發(fā)“科創(chuàng)靈感”.百家號.2025-05-18