海外文摘——天空之尘




天空之尘
Robert Irion 文 Shea 译
	微小的星际尘粒削弱了许多恒星和星系的光芒，但是这些无处不在的尘粒的起源却依然是个谜。 [图片说明]：夜光。红外斯必泽空间望远镜看到邻近仙女星系中的大量尘埃。版权：NASA/JPL-CALTECH/K. GORDON, UNIVERSITY OF ARIZONA。　　在情歌《烟雾弥漫你的眼》于1933年首次亮相之前几百年，天文学家就已经和使得宇宙变得暗淡的尘埃进行斗争了。暗黑色的粒子和沙粒状的尘粒漂浮在恒星之间，遮挡住了宇宙中最吸引人的地方，例如星系的核心以及恒星形成区。“尘埃是我们的拦路虎，”密苏里大学的天文学家安吉拉·斯派克（Angela Speck）说。　　今天，尘粒的坏名声已经褪去。天文学家知道星际尘埃照亮了恒星的死亡，它还描绘出了从恒星形成到我们太阳系最终到地球的形成之间的直接联系。虽然科学家可以追溯嵌入在陨星和彗星碎片中数十亿年的古老星际尘粒的历史，但是天文学家对于它们在哪儿形成的还知之甚少。　　新的观测工具正在改变这一局面。最受瞩目的NASA的斯必泽空间望远镜可以感知银河系以及早期宇宙中星系里的尘埃所发出的红外辐射。许多尘埃都含有有机成分，显示年老的恒星和紫外线可以组合进而创造出前生命物质。　　但是斯必泽和其他望远镜还没有解决一个关键问题：绝大多数的尘埃是形成于垂死的类太阳恒星所喷出的气体还是形成于罕见但却极为剧烈的超新星暴发？模型预言，超新星应该产生大量的尘埃（大约有1个太阳质量）。然而，观测到的小于预言的1%。“这是一个真正的难题，”明尼苏达大学的天文学家罗伯特·格尔兹（Robert Gehrz）说。 [图片说明]：星际尘埃。同位素分析从超新星（上图）和老年恒星中分离除了硅尘粒。版权：S.MESSENGER ET AL./SCIENCE。恒星葡萄仁　　无论它的源头是什么，星际尘埃几乎不能长时间保持其原始的状态。当它们凝结形成的时候只有几百分之一个微米大。如果碰上激波或者强烈的辐射就很容易解体。生存的关键是团结：尘粒团就像是绒布，其表面会附着有冰质的水或者是一氧化碳。在跨度为几十光年的巨分子云中这种聚积是十分有效的。当尘粒粘在一起的时候，它们的大小可以达到微米的尺度，看上去就象是葡萄仁麦片。许多这样的团块会进入原恒星周围刚形成的行星系统中，在那里它们会进一步形成更大的团块。　　通过研究古老陨星中的单颗尘粒，科学家可以开启星际尘埃中的“宇宙化学记忆”之门。卡莱森大学的天文学家唐纳德·卡莱顿（Donald Clayton）“发明”了这个词。“这是一件很漂亮的事情，”卡莱顿以前的一个学生、NASA戈达德航天中心的艾里·德威克（Eli Dwek）说，“每个尘埃粒子都包含有其发源地的成分。” 　　例如，最早从陨石中被识别出来的太阳系外的尘粒之一就是碳化硅。这种类似火山灰的物质的同位素组成与太阳系中的成分不同。宇宙化学家发现，这些特殊的尘埃源于年老恒星抛射外部包层的星风。　　我们的太阳和其他0.8-8个太阳质量的恒星一样在几十亿年之后会进入一个短暂的演化阶段。当核心的氢耗尽之后，恒星会启动氦聚变。这一反应会释放出更多的能量，使得恒星膨胀进入红巨星阶段。但是，之后氦也会开始耗尽，恒星就会进入氦燃烧的脉动阶段，期间所产生的物质会包裹住火星轨道。在接下去的几十万年的时间里，恒星将一直处于这种收缩膨胀的阶段，它在赫罗图上被天文学家称为“渐近巨星支”（AGB）。　　引力在AGB星表面非常微弱，因此外部包层在膨胀过程中会逃逸。当这些逃逸的气体冷却到2000K以下的时候，它们就会开始形成微小的尘埃颗粒。它们的特性取决于恒星核反应产生的重元素：碳和氧，它们会快速的混合形成一氧化碳气体。如果碳有剩余，一小部分气体会凝结成含碳化合物，例如石墨、碳化硅以及复杂的有机分子（多环芳香烃）。富氧的大气会产生氧化铝和氧化钛，以及含有钙、镁和铁的硅酸盐——沙和岩石的主要成分。　　当有更多的尘埃形成的时候，比太阳亮上千倍的恒星的辐射会推动这些尘粒。尘粒加速离开的同时也会带走气体，使得恒星损失大量的物质。因为尘埃的遮挡，晚期的AGB恒星也许会从光学波段上消失，但是它们会发出耀眼的红外辐射。斯必泽新拍摄的仙女星系照片显示有数千个伪彩色红点，天文学家相信它们都是被尘埃包裹的AGB星。　　每一颗低质量AGB星都是一个中型尘埃工厂，但是由于数量巨大，因此它们可能是宇宙尘的主要来源。事实上，陨星中尘粒的绝大多数太阳前同位素可能是通过捕获AGB星内部的中子而形成的。之后恒星以星风的形式抛出了这些同位素，华盛顿大学的宇宙化学家厄耐斯特·辛那（Ernst Zinner）说。“超新星备受关注，”斯派克说，“但是我们看到的同位素预示绝大部分的尘粒是缓慢形成的，而不是爆炸式的。” 热爆炸，冷团块？　　现在的星系中可能充满了AGB星，但是在宇宙早期并非如此。对于类太阳恒星要花上上百亿年的时间才能演化到AGB星阶段。因此，如果这些恒星制造了绝大多数的宇宙尘埃，那么宇宙早期的星系应该比今天被尘埃污染的星系要干净得多。　　但是观测到的情况并不是这样。在90年代中期，夏威夷莫纳克亚山上英国的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）望远镜上的亚毫米波设备发现了位于宇宙年龄只有目前1/4处的富含尘埃星系。而且在去年，斯必泽空间望远镜发现位于宇宙年龄小于10亿年处的含有高温尘埃的星系。　　许多天文学家坚持，超新星是最符合逻辑的源头。一颗质量超过8个太阳质量的恒星会不断的聚变产生重元素直到它生命的最后一刻。它会形成嵌套的碳、氧、镁、硅、硫层，以及最终的铁核。当热核反应链在铁这里停止的时候，核心会发生内爆。然后恒星富含重元素——尘埃的主要成分——的区域会被炸向太空。　　在爆炸的残骸中会形成湍流，任何试图形成的固体结构都会由于高温而被撕开。“至少要花1年时间使得温度降低到可以形成尘埃的程度，”空间望远镜研究所的博士后研究员本·休格曼（Ben Sugerman）说，“大约1.5-2年之后我们就能真正看到清楚的证据了。” [图片说明]：版权：SIDNEY HARRIS/SCIENCECARTOONSPLUS.COM。　　尘埃形成于超新星的最有力证据来自超新星1987A，它于1987年出现在邻近的大麦哲伦星云中。天文学家看到3个有说服力的环状结构：来自冷却尘粒的红外超辐射，正在减弱的可见光辐射，而且谱线显示尘埃位于膨胀星云远端退行气体的前方。“黄金标准是看见3个环，但是只有在1987A上做到了，”休格曼说，“这是唯一一个没有争议的案例。” 　　休格曼和他的合作者正使用斯必泽和8.1米的北双子望远镜对过去几年中爆发的超新星进行观测。他说，他们的小组在其中一个遗迹中发现了刚形成的尘埃的证据。　　但是这里有一个严重的问题。新发现的超新星以及1987A的数据都显示尘埃的量很小，大约只有太阳质量的1/1000。这比理论预言的小了100-1000倍。尘埃补给可以通过两种途径消失，休格曼说。尘埃也许冷却得比预期得要快，降到了红外探测的灵敏度以下。它也有可能形成了团块，使得内部的尘埃无法被探测到。其他天文学家称不同的超新星可以产生稍微多一点的尘埃，但是观测到的一些辐射可能源自恒星死亡之间就抛射出的尘埃壳层。　　最近另一个分析也显示尘埃缺失。格尔兹及其在明尼苏达大学的同事，包括查尔斯·伍德沃德（Charles Woodward）和研究生提·泰明（Tea Temim）使用斯必泽研究了蟹状星云。自从这个超新星在公元1054年被发现以来，其中的尘埃已经传播了差不多1000年。斯必泽发现了一些较粗的尘埃粒子，但是在超新星遗迹中没有发现细尘埃。蟹状星云中脉冲星所释放的能量可能摧毁了所有的微小尘粒。“这为超新星会摧毁它们自己的尘埃提供了证据，”格尔兹说。　　“超新星激波与周围物质的作用对于新形成的尘埃而言是一场真正的灾难，”伦敦帝国大学的天文学家彼得·迈克勒（Peter Meikle）说，“我相信许多尘粒形成于超新星，但是当它们进入星际介质的时候会被摧毁。”即便如此，迈克勒怀疑超新星确实为最早的星系提供了大量的尘埃。在那个时期，在相对未成团的空间里，爆炸可以平滑的传播。　　尽管看上去可能很稀少，但是超新星生成的尘粒却一直存留到了今天。辛那及其合作者已经认证出了几百个来自超新星的碳化硅和石墨尘粒。同时在地球大气层中通过NASA飞机收集的尘粒中，科学家发现了常见的橄榄石矿物。NASA约翰逊航天中心的宇宙化学家斯科特·麦森杰（Scott Messenger）说：“这些尘粒具有独特的同位素组成，它们含有大量的氧18。”这个现象说明这些尘粒的母气体位于大质量恒星的氦燃烧层中，其深层还含有更重的元素。　　麦森杰和辛那预期有关的搜寻会发现更多的超新星尘粒。随着NASA的“星尘”探测器带回来“瓦尔德”2号彗星的颗粒样本，科学家相信冻结在彗星内部的是太阳星云的原始成分——包括了46年前进入到我们孕育中的太阳系的物质。对这些尘粒的研究要花上好几年的时间，但是它也许可以告诉我们最原始的尘粒究竟是在平和的还是在灾变式的环境中起源的。此文同时也刊载于《天文爱好者》杂志2006年第8期第50页。
出自：Science 发布日期：2005-10-28

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