微米和纳米

20年宇宙谜案宣告破获!银河系神秘微波来自纳米钻石

银河系的很多区域放射出一种独特的微弱微波,被称之为“异常微波辐射”。这种微波的源头一直困扰着天文学家。借助绿岸望远镜和澳大利亚望远镜致密阵列,科学家首次锁定异常微波辐射的源头——新形成的恒星周围的纳米钻石。

20年宇宙谜案宣告破获!银河系神秘微波来自纳米钻石
​▲科学家锁定银河系异常微波辐射源头——原行星盘内的纳米钻石

卡迪夫大学天文学家简·格里夫斯表示:“自20年前首次发现以来,异常微波辐射的源头便是一个不解之谜。不过,我们知道某些颗粒要对这种微波的产生负责。”格里夫斯主笔的研究论文刊登在《自然·天文学》杂志上。

研究发现异常微波辐射来自于快速旋转的纳米颗粒释放的能量。这种物质的尺寸极小,普通的显微镜根本无法捕获它们的身影。过去,科学家一直认为异常微波辐射最有可能的源头,是一种名为“多环芳烃”的有机分子。这种碳基分子广泛存在于星际空间,放射出微弱的红外线。不过,纳米钻石,尤其是氢化纳米钻石(表面布满含氢分子)也能放射出红外线,只是波长不同。
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​婴儿恒星周围的行星形成盘

借助美国国家科学基金会位于西弗吉尼亚的绿岸望远镜以及澳大利亚望远镜致密阵列,科学家进行了一系列观测并首次锁定异常微波辐射的3个源头——年轻恒星V892Tau、HD 97048和MWC 297周围的原行星盘。绿岸望远镜负责对V892 Tau进行观测,望远镜致密阵列则负责HD 97048和MWC 297。

研究论文合著者、绿岸天文台的大卫·弗拉耶表示:“这是科学家第一次明确探测到来自原行星盘的异常微波辐射。”天文学家指出这些系统的红外线与纳米钻石的独特信号相匹配。银河系的其它原行星盘也产生清晰的多环芳烃红外信号,但并未表现出异常微波辐射的任何迹象。
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​ ▲绿岸望远镜

这意味着天文学家此前的判断有误,多环芳烃并不是异常微波辐射的神秘源头。排除这个可能性后,纳米钻石成为银河系异常微波辐射最有可能的源头。这种钻石可在原行星盘内天然形成,在降落地球的陨石中也发现它们的踪影。

格里夫斯表示:“这就像福尔摩斯探案一样,在排除了其它所有可能性后,我们可以信心十足地宣布,这种微波的源头就是新形成的恒星周围的纳米钻石。”根据观测发现,天文学家估计这些原行星盘内有1%到2%的碳以纳米钻石的形式存在。
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​澳大利亚望远镜致密阵列

过去几十年,原行星盘内存在纳米钻石的证据不断增多。不过,这是科学家第一次将纳米钻石与异常微波辐射联系在一起。统计模型显示婴儿恒星周围存在大量纳米钻石,正是它们的存在导致了异常微波辐射。弗拉耶说:“上演这一发现的几率只有万分之一,甚至更低。之所以能够发现异常微波辐射与纳米钻石红外信号之间的联系,完全是一种偶然。”

研究过程中,天文学家利用绿岸望远镜和澳大利亚望远镜致密阵列对银河系内14颗年轻恒星进行了观测,寻找异常微波辐射的线索。在其中3颗恒星周围,天文学家发现了异常微波辐射。此外,也只有这3颗恒星产生氢化纳米钻石的红外光谱信号。格里夫斯指出:“这种信号非常罕见,其它年轻恒星都未留下红外印记。”
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​ ▲摄影师镜头下的银河系,景象蔚为壮观

这一发现对宇宙学研究和搜寻宇宙膨胀证据具有启发意义。如果大爆炸后宇宙曾以超光速膨胀,科学家能够在宇宙微波背景的独特偏振中发现这个膨胀期的痕迹。虽然尚未探测到偏振信号,但格里夫斯等人的研究让我们看到了希望。

研究论文合著者、美国国家射电天文台的布莱恩·马森表示:“对于研究宇宙微波背景偏振的科学家来说,这无疑是一个好消息,因为旋转纳米钻石的信号只会发生微弱偏振。这意味着天文学家能够创建更理想的银河系前景微波模型。在研究异常遥远的大爆炸余辉时,前景微波必须剔除。”
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​ ▲宇宙微波背景

纳米钻石可能由高能恒星形成区的超热碳原子蒸汽形成。这与地球上制造纳米钻石采用的工业手段并无差异。在天文学研究领域,纳米钻石之所以引起科学家的浓厚兴趣是因为它们的结构能够产生所谓的“偶极矩”,这种原子排列允许它们在旋转时放射出电磁辐射。由于纳米钻石的尺寸很小,不及原行星盘中的尘埃颗粒,它们可能以超乎寻常的速度旋转,所产生的辐射处在微波波段而不是米-波长波段;星系和星系间辐射可能将其淹没。

格里夫斯说:“对于异常微波辐射谜团,我们找到了一个很酷并且出人意料的答案。更有趣的是,我们通过观测原行星盘得出这一结论。这有助于我们了解恒星系统——包括我们的太阳系在内——的早期化学特征。”
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​ ▲原行星盘艺术概念图

研究论文合著者、曼彻斯特大学的安娜·斯卡菲指出:“这是一项令人兴奋的发现。我们可以套用一首歌的歌名概括我们的研究,那就是‘异常微波辐射在缀满钻石的天空’。”(斯卡菲套用的是甲壳虫乐队的《露西在缀满钻石的天空》。)

未来的厘米波观测设备——例如计划中的ALMA(阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列)Band 1接收器以及下一代甚大阵列——能够对这一现象进行更细致研究,以获取更详细的细节。天王学家表示在创建物理模型并首次捕获清晰的光谱信号之后,我们将快速加深对异常微波辐射的认知。

(本文章来源于漫步宇宙公众号)

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