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宇宙中的星辰来自哪里?没有它恒星或许不会形成

宇宙中的灰尘

宇宙中的星辰来自哪里?没有它恒星或许不会形成

是一些极为细小的颗粒,由非晶质碳、碳酸盐和硅酸盐等物质组成,直径仅为1微米的几分之一,名为星尘。假如没有它们,我们的夜空一定会明亮很多,因为我们会看到更多的恒星;但假如真的没有它们,天上的恒星又会难以产生,因为正是它们冷却星际云,才促成星际云坍塌成恒星。与此同时,它们还促使一些微小的分子结合成更复杂的化学物质,引发一系列更神奇的化学变化。天文学家说,星尘是星球诞生的起点,是生命形成的材料,也是我们理解宇宙的关键。然而,星尘来自哪里?它们的作用如何体现?

谁弄脏了宇宙

是的,就在不久前,我们以为找到了答案。科学家发现,长寿恒星在它们生命的最后阶段会变成一座“尘埃工厂”。

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当一颗类似太阳的恒星进入晚年,其内部活动就会发生变化,这种变化会引发恒星膨胀,使其变成一颗红巨星。当太阳进入晚年时,就会吞没水星、金星,甚至地球。这对太阳系中的生命来说自然不是好事,但对星尘来说,那是难得的“好日子”。因为这时太阳稀薄的外层大气会为炽热的气体提供转变成固体尘埃的完美环境,于是大量星尘被“制造”了出来。在银河系中,我们能看到很多这样的实例。科学家发现,在已经有1 0 0多亿年历史的银河系中,出现大量尘埃的地方正是大量红巨星存在和消亡的

地方。然而,一个星系并不能等同整个宇宙。英国伦敦大学学院的天文学家松浦加子说:“一旦我们的视线超越银河系,这样的解释就说不通了。”转变发生在2 0世纪9 0年代。当时,人类先进的望远镜可以看到宇宙诞生几亿年后生成的遥远星系,而恒星至少需要1 0亿年才能进入红巨星阶段。

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假如只有红巨星才能“制造”尘埃,那么在那时的宇宙中理应是没有尘埃的。然而事实不是这样。科学家在早期宇宙的星系里发现了大量尘埃,一个重要的实例就是星系J 1 1 4 8+ 5 2 5 1。它在宇宙大爆炸后仅9亿年就出现在宇宙中。人们在那里找到了大量尘埃,其数量超过银河系尘埃量的1 0倍。丹麦哥本哈根大学的天体物理学家拉尔斯·马特森说:“毫无疑问,宇宙的过去比现在拥有更多的尘埃。”

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事实给天文学家出了一道新的难题,那就是在红巨星之外,一定有其他东西在早期宇宙中制造了尘埃,而且能力还非常强大。但是,那是什么呢?通过天文观测,科学家最终找到了那些“弄脏了”早期宇宙的“嫌疑犯”,它们就是由恒星爆发形成的超新星。在早期宇宙中,恒星的形成速度比现在快得多,它们的生存节奏也更快,年纪轻轻就走向了死亡。在类似J1148+5251的早期星系中,恒星产生的频率非常高,那里会出现大量超新星,因而也会产生大量尘埃。

真正的尘埃工厂

为了探索究竟,松浦加子和她的同事使用欧空局的赫歇尔空间天文台观测离我们很近的天体SN1987A。这是一颗于1 9 8 7年爆发(观测时长)的恒星留下的超新星遗迹,位于我们银河系的邻居大麦哲伦星云

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中。它是在人类发明望远镜后出现的离我们最近的超新星遗迹,是天文学家检验恒星爆发理论最理想的观测目标。

当可见光的光子与一粒尘埃发生碰撞时,其产生的能量会被尘埃吸收,同时使尘埃的热度升高一点点。这点热度会以红外光的方式释放到太空中,而这些红外光有可能被赫歇尔空间天文台观测到。赫歇尔空间天文台于2 0 0 9年5月1 4日升空,擅长收集来自宇宙深空的、由极寒冷和极遥远的天体发出的辐射,是当之无愧的观测星尘的利器。

科学家发表了他们的研究成果。他们说,按照传统的观点,SN 1 9 8 7A 至多能产生相当于太阳质量1/1 0的尘埃。然而,实际的观测显示,围绕着这个恒星爆发遗迹的尘埃量是原来估计的4倍至7倍,足以制造2 0万个地球。科学家由此认定,星尘真正的“制造工厂”并不是红巨星,而应该是超新星。

第三种可能

不过,即使超新星制造了大量尘埃,它爆发的强大力量还是会摧毁那些尘埃,使它们重新回归原子状态。即使它们在超新星爆发初始阶段幸存下来,在此后的漫长时长里能不能躲进太空的星际尘埃库中还很难说。超新星爆发的冲击波会在超新星附近存在几个世纪,同样可能摧毁那些固体的颗粒。所以,松浦加子说:“星尘的生存是一个未知的问题,我们希望它们能存活下来,但究竟会怎样,我们也不知道。”假如遥远星系中的尘埃不是来自红巨星(因为早期宇宙中没有红巨星),也不是来自超新星(因为超新星生成的星尘多数被生成它们的超新星摧毁了),那么该如何解释星尘的来源呢?美国普林斯顿大学的布鲁斯·迪恩提出了第三种可能:在星系中恒星间相对空旷的地方,尘埃会自动生成。在迪恩看来,他的这个观点是有充分依据的。他认为,即使超新星的冲击波在冲击星系时会摧毁部分尘埃,但大量尘埃依然可以存在于星际空间中,因为星际空间存在不少密度更高的分子云,它们会成为星尘的避难所。来自超新星和红巨星的微小颗粒可以在那些地方合成新的尘埃。还有人推测,游弋在星际空间中的各类物质通过重新凝结也能产生大量尘埃,这些物质——例如游离在宇宙中的原子、离子和分子等与已有的尘埃相互碰撞后通过化学反应产生的新的尘埃颗粒——会形成尘埃云,并且变得越来越密集,最终坍塌形成新的恒星和行星。

促进宇宙中水的形成

随着研究的深入, 星尘的更多作用也被证实。伦敦自然历史博物馆的矿物学家安东·克斯利说:“我们在不断地遭遇星尘。太阳系绕着银河系中心运行,因此我们的周围实际上就存在着大量星尘。”

但科学家研究星尘的利器依然是各种功能强大的现代望远镜。最近,科学家用阿塔卡马大型毫米波/ 亚毫米波阵列观察了蛇夫座的恒星形成区。那里距地球大约4 0 0光年,存在着非常寒冷且浓密的宇宙气体 和尘埃。

阿塔卡马大型毫米波/ 亚毫米波阵列是德国马克斯· 普朗克射电天文学会、瑞典昂萨拉空间天文台和欧洲南方天文台合作的产物,位于智利安第斯山脉海拔5 0 0 0米的查南托高原上。在这次观测中,科学家发现了大量的过氧化氢分子。

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过氧化氢对天文学家和化学家来说是非常关键的分子,因为它的形成连接着两种常见的分子:氧分子和水。在这次观测中,科学家发现,这种物质是在星尘表面形成的。德国埃米诺特恒星形成和化学研究会的负责人贝郎热尔·帕里斯说:“我们并不知道地球上一些重要的分子是如何在太空中形成的,然而,我们用阿塔卡马大型毫米波/ 亚毫米波阵列发现了过氧化氢,它表明星尘是该过程中未探测到的重要成分。”

过氧化氢的发现有助于天文学家更好地理解宇宙中的水是如何形成的,这对研究生命的发展和演化相当关键。由于地球上的水被认为是在太空中形成的,所以星尘在水的形成过程中所起的作用无疑会引起人们极大的关注。

对于星尘,更多的秘密有待人们去解答。随着对宇宙认识的日益深入,人们已经意识到,宇宙演化的关键就隐藏在小小的星尘中,它是我们理解宇宙和生命的钥匙。

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