Was ist der Unterschied zwischen Gas und Staub in der Astronomie?

Ja, Metalle und andere Elemente und Moleküle können unter den richtigen Temperatur- und Druckbedingungen in gasförmiger Form vorliegen. Ein "Gas" ist einfach einer der Grundzustände der Materie, wie fest , flüssig oder gasförmig (und einige andere Zustände außerhalb des Geltungsbereichs dieser Frage). Aber als Gas existieren diese Substanzen vollständig entweder als einzelne Atome, einzelne elementare Moleküle oder einzelne zusammengesetzte Moleküle aus mehreren Atomen (z. B. Kohlendioxid).

Staub hingegen besteht aus winzigen Partikeln, die stärkere intermolekulare Bindungen eingegangen sind, um Substanzen wie Eis, Silikate und Kohlenstoffverbindungen zu erzeugen, die in unterschiedlicher Dichte zwischen den Sternen und zwischen den Galaxien schweben. Da diese Partikel immer noch extrem klein sind (typischerweise ein Bruchteil eines Mikrometers Durchmesser), können sie wie ein Gas erscheinen , aber diese winzigen, unregelmäßig geformten Objekte existieren immer noch einzeln in festem oder flüssigem Zustand.

In der Astronomie gibt es keine formale Definition der Schwelle zwischen Gas und Staub. Gas kann einatomig, zweiatomig oder molekular sein (oder im Prinzip aus Photonen bestehen ). Moleküle können sehr groß sein, und Staubpartikel sind im Prinzip nur sehr große Moleküle. Ich habe verschiedene Autoren gesehen, die verschiedene Definitionen verwenden, angefangen von$\sim100$zu$\sim1000$Atome.

Das soll nicht heißen, dass es keinen deutlichen Unterschied zwischen Molekülen und Staub gibt. Sie haben sehr unterschiedliche Eigenschaften, aber der Übergang zwischen ihnen ist einfach nicht perfekt definiert.

HINZUGEFÜGT 13.6.2018: Ich besuche gerade eine Konferenz über kosmischen Staub, und 200 Astronomen konnten die Frage nach der Schwelle zwischen großen Molekülen und kleinen Staubkörnern nicht beantworten. Eine Möglichkeit, eine Unterscheidung vorzunehmen, besteht jedoch darin, die zugehörigen Spektrallinien zu betrachten: Moleküle emittieren/absorbieren und bestimmte Wellenlängen, während Staub über einen breiteren Bereich emittieren/absorbieren kann. Aber es gibt keine bestimmte Anzahl von Atomen – zum Beispiel ist das Fulleren C ₅₄₀ ein sehr großes Kohlenstoffmolekül, aber wenn Sie seine 540 C-Atome in amorphen Kohlenstoff umwandeln, wird es als Staubkorn betrachtet.

Gas, Moleküle und Staub können alle heiß oder kalt sein, aber wenn es zu heiß wird, werden größere Partikel bei Kollisionen zerstört. Während also eine Molekülwolke normalerweise sehr kalt ist und sowohl aus Gas als auch aus Staub besteht, wird Staub in der Regel (wenn auch nicht vollständig) zerstört$\mathrm{H\,II}$Regionen um heiße Sterne durch Kollisionen mit anderen Körnern, Sputtern durch Kollisionen mit Ionen, Sublimation oder Verdampfung oder sogar Explosionen durch ultraviolette Strahlung (siehe zB Greenberg 1976 ).

Um Ihre letzte Frage zu beantworten, ich habe den Begriff "Gas" nicht für Staubpartikel gehört, sondern für Metalle$^\dagger$und Moleküle können beide als Gas bezeichnet werden. Zum Beispiel,$\mathrm{Mg\,II}$Gas wird routinemäßig verwendet, um entfernte Galaxien zu erkennen, und Molekülwolken enthalten$\mathrm{H}_2$und$\mathrm{CO}$Gas. Im interstellaren Medium befinden sich etwa 2/3 der Metalle in der Gasphase, während sich 1/3 in Staub befindet.

$^{^\dagger}$^{„Metalle“ im astronomischen Sinne, also alle anderen Elemente als Wasserstoff und Helium.}

Ich möchte der hervorragenden Antwort von Robert nur hinzufügen, dass interstellare Staubpartikel, sehr ähnlich wie Zigarettenrauch in der Luft, im interstellaren Gas hängen und mit ihm sowohl kinematisch (wird je nach Partikelgröße mitgerissen) als auch energetisch (Austausch Wärme, die zu einer erheblichen Abkühlung des Gases führen kann). Auch Staubpartikel interagieren mit der (stellaren) Strahlung und können durch energiereiche Strahlung verdampfen, aber auch durch Kondensation aus dem umgebenden Gas wachsen.

Alle größeren festen astronomischen Objekte (Planeten, Asteroiden usw., aber keine Sternreste) sind aus Staub entstanden, der sich wiederum aus den schwereren Elementen im interstellaren Gas gebildet hat.

Für viele astronomische Zwecke ist Staub lästig, da er das Licht blockiert, insbesondere die kürzeren Wellenlängen ( Rötung und Verdunklung des Sternenlichts) und Sterne verdeckt, insbesondere in der Mittelebene der Milchstraße. Infolgedessen ist das galaktische Zentrum, ein Ort von großem astronomischem Interesse, weitgehend unsichtbar und kann nur untersucht werden, indem andere Wellenlängen als das sichtbare Licht beobachtet werden, insbesondere Infrarot, das durch Staubabsorption kaum beeinflusst wird.