星尘的研究
著：
A.G.G.M. Tielens
译：
Shea
银河系中最小的成员——（亚）微米尺度的星尘——也许会向我们提供恒星和行星形成的关键信息。绝大多数星尘被认为形成于红巨星的物质喷射以及超新星爆发。因此星尘携带了其出生地的重要信息，特别是其同位素成分的异常，经常被用来在太阳系物质中寻找太阳前微粒。正如梅森格（Messenger）等人在本其杂志上所发表的文章所指出的，太阳系中同位素异常的星尘微粒可能并不都是太阳前微粒。
大约15年前，安德斯（Anders）及其同事第一次从陨石中分离出了纯正的星尘微粒。为了寻找陨石中同位素异常的稀有气体，他们采用了“杀鸡取卵”的办法。他们想办法剔除陨石中几乎所有的物质，直到仅仅剩下极小量的化合物，最终他们在其中找到了纳米尺度的同位素异常星尘微粒。如法炮制，可以分离出星尘中的其他成分，包括SiC和石墨微粒。 其中，都使用了同位素异常来鉴别太阳前微粒，对于稀有气体或者其他元素都是如此。
梅森格等人现在研发出了另一种寻找星尘的技术。与“杀鸡取卵”不同，他们直接研究“鸡”本身。因此他们克服了安德斯及其同事所使用方法的缺点：丢失硅酸盐。天文学家研究显示大部分的星尘都是硅酸盐微粒而不是碳质微粒。
在他们的研究中，梅森格等人使用纳米扫描微探针分光仪（NanoSIMS）测量了微米尺度的行星际尘埃粒子（IDP）的氧同位素成分。通过这个方法，他们可以识别出同位素异常的硅酸盐星尘微粒。一旦找到了这些微粒之后，不同的技术就都可以应用其中，来确定它们的成分、矿物学特性以及其与环境的构造关系。
令人惊讶的并不是发现了硅酸盐星尘，而是仅发现了极其少量的硅酸盐星尘。在1000颗微粒中仅有6个，或者说占总质量仅0.5%的物质呈现出了同位素异常。梅森格等人集中分析了含金属及硫化物玻璃（GEMS）——一种球粒状、有气孔的IDP。事实上，GEMS是一种硅酸盐玻璃，其中包含有直径10nm的FeNi金属以及硫化物颗粒。GEMS的元素成分、矿物学性质、形态学特性以及它的质地都预示，它们是早先的硅酸盐微粒在高能离子轰击下所形成的。
彗星，一个可能的IDP源，被认为包含了极为纯正的太阳前物质，并且应该充满了星尘。IDP和GEMS都是最明显的星尘候选者。他们都具有许多与太阳前硅酸盐微粒相似的特性。结果是，GEMS通常被认为是幸存下来的太阳前硅酸盐微粒。但事实上，GEMS其正常的同位素丰度却又迫使我们重新解释它们的演化，甚至是彗星以及太阳系的演化。
梅森格的一个关键假设是太阳前微粒有着与太阳不同的同位素丰度。这一假设基于对红巨星的天文观测，结果显示红巨星光球层中的氧同位素丰度和太阳的大不相同。对红巨星以及超新星核合成的理论研究也预言存在显著的氧同位素异常。同时对石墨星尘的氧同位素测量也呈现出了与太阳的极大差异。
因此，我们预计太阳前氧同位素丰度是太阳的2-10倍。与之形成对比的是，几乎梅森格研究的所有GEMS的氧同位素与太阳的仅有10%的差异。所以，大多数GEMS看上去更像是气态的，而且有着与星际介质相同的组成。
尽管被抛射入星际介质的绝大多数硅会以硅酸盐的形式存在，但是许多过程会改变它们的演化。强烈的星际激波会喷出一些气体原子，其中一些会被微粒吸积形成一层（保护性）外膜。但是，考虑到元素丰度以及星际介质的低温环境，这一外膜应该主要包含轻元素，例如碳、氧和氢。
所以，尽管这一可能存在的外膜应该具有正常的同位素成分，但它应该是碳基的而不是硅基的。要形成同位素正常的硅酸盐只可能在太阳系的内部，或者是原恒星周围的原行星盘的内部，在那儿几乎所有的太阳前尘埃会再凝结并且发生变化。
另一个证据则来自彗星中的硅酸盐。天文观测显示星际硅酸盐在很大程度上是非结晶性的，结晶率最多只有2%。相反的，红外空间天文台对海尔-波普彗星的红外分光观测显示，其硅酸盐具有非常高的结晶率，而且这一特征在太阳系中也十分的普遍。另外在中等质量原恒星的星周盘中也发现了较高的结晶硅酸丰度。
硅酸盐在1000K时会经历非结晶态到结晶态的转变，但这一温度大大超过了彗星以及原恒星旁硅酸盐的温度。这些观测也进一步支持了在新形成的行星盘中存在着大尺度的、径向的物质交换，这一物质交换过程会把原太阳系内部的物质带到外部，而那里正是彗星形成的地方。这些证据都和梅森格提出的不同，但是它们得出了相同的结论。
如果强行认为GEMS形成于原太阳或者原恒星，梅森格发现这会出现另一个难题。GEMS会经历强烈的高能粒子照射，它们必然会在IDP凝聚之前出现。这一过程所处原太阳/原恒星环境即是高速喷流，同时这也将伴随有低质量恒星的形成。
也许在原行星盘的内部太阳前物质经历了快速的合成凝聚过程，丧失了所有的太阳前性质。之后，他们通过原恒星的高速星风被抛射出去，其中的大部分甚至全部都变成了GEMS。这些物质可能再次落回核区进而参与恒星的形成，或者（更可能）散步到整个分子云（其中包含了许多原恒星）中。被恒星喷出的物质的总质量占了原恒星质量的相当一部分（远远大于太阳系行星的总质量）。这就导致了由于喷流以及临近的其他原恒星的作用，原太阳星云外部的GEMS也有正常的同位素丰度。
这种在原恒星环境下的尘埃形成过程与“经典”的星尘来源（红巨星和超新星）一样为星际尘埃提供了可观的物质。因此，以GEMS形式出现的、同位素正常的硅酸盐微粒在星际介质中应该很普遍。但是，彗星中的结晶硅酸盐微粒并没有经历强辐射的环境，而且分子云中的硅酸盐也是非结晶性的。所以，应该存在一个更为缓和的径向物质输运机制，把结晶得硅酸盐运送到彗星形成的地方。
红巨星抛射出的硅酸盐星尘可能被喷流或者行星状星云中的高温气体加热发生变化。来自超新星的硅酸盐也会被高温气体激波加热。所以，尽管它们的起源不同，但是太阳前以及太阳/原恒星尘埃也许经历过相同的过程，导致它们具有和GEMS极为相同的质地、结构以及形态学特征。当然，太阳系GEMS拥有与太阳相同的同位素成分，而太阳前星尘则会有不同的同位素丰度。
也许现在还为时过早下结论说GEMS并不是太阳前尘埃，或者说彗星不是纯正的星尘库。“星尘”计划将会帮助我们回答这些问题。2006年它将送回来采集到的“星际”和“彗星”尘埃样本。其数量大致为100颗星际尘埃和1000颗彗星尘埃。这对于确定宇宙线对星际尘埃的照射时间、彗星中的GEMS/IDP、结晶得硅酸盐有重要的意义。
对采集自地球轨道的尘埃的识别技术也在发展，同时这也是一种廉价的收集方式，而且这不会使得尘埃在进入大气层是由于高温而被破坏。
对IDP和“星际”尘埃的研究将有助于我们弄清楚GEMS的太阳前特性，以及彗星的形成。同时这也将为了解行星的形成过程迈出实质性的一步。
译自 [Science 2003年4月4日]
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