大爆炸之后，宇宙中充滿了主要由氫元素構(gòu)成的原初氣體，并由此形成了第一代恒星和星系。一百四十億年后，當(dāng)天文學(xué)家將目光對(duì)準(zhǔn)遙遠(yuǎn)的星空時(shí)，發(fā)現(xiàn)早期宇宙中存在著大量的塵埃。這些塵埃從何而來一直困惑著天文學(xué)家。有理論認(rèn)為，超新星爆發(fā)形成的塵埃是宇宙早期星系中塵埃的主要來源。《科學(xué)》雜志3月19日發(fā)表的一篇論文，為這一理論首次提供了觀測(cè)佐證。
恒星是內(nèi)部發(fā)生著劇烈核反應(yīng)的氣體球。在這個(gè)炙熱的“熔爐”中，氫元素聚變成氦，繼而聚變?yōu)樘�、氮等更重的元素，直至形成致密的重元素鐵。當(dāng)內(nèi)部核反應(yīng)無法繼續(xù)支撐恒星自身平衡時(shí)，質(zhì)量較大的恒星會(huì)以一次耀眼的爆發(fā)結(jié)束它的一生，并在爆發(fā)中將構(gòu)成恒星的物質(zhì)撒向廣袤宇宙。有理論認(rèn)為，在這個(gè)被稱為超新星爆發(fā)的過程中形成的塵埃，是早期宇宙中塵埃的主要來源。“對(duì)塵埃的觀測(cè)也表明，其主要成分為硅、鐵等重元素，而不是氫元素，這說明這些塵埃曾經(jīng)歷過恒星內(nèi)部核反應(yīng)。”論文作者之一、南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授李志遠(yuǎn)說。
然而，這一理論并非毫無爭(zhēng)議。超新星爆發(fā)后會(huì)形成氣體與塵埃構(gòu)成的超新星遺跡，并快速向外部星際空間擴(kuò)張。在遺跡外部是溫度較低的星際氣體。高溫物質(zhì)與低溫物質(zhì)的相遇注定不是風(fēng)平浪靜。一股快速反向傳播的激波迅速形成，并將逐漸把遺跡內(nèi)部的未轉(zhuǎn)化為塵埃的剩余拋射物加熱到上百萬度的高溫，這時(shí)候的遺跡內(nèi)部就像是一個(gè)大熔爐。“而塵埃是直徑在1微米左右的固體顆粒。它們被高溫帶電粒子包圍后會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)被‘熔化’。”李志遠(yuǎn)說。確定在這場(chǎng)相遇中是否超新星爆發(fā)產(chǎn)生的所有塵埃被消滅，是說明星際塵埃來源的關(guān)鍵。事實(shí)上，天文學(xué)家之前曾經(jīng)在其他超新星遺跡中探尋到塵埃蹤影，比如超新星SN1987A和仙后座A的遺跡。“但這些超新星遺跡年齡不超過幾百年，在天文學(xué)上看來都太年輕，反向激波還沒來得及完全掃過超新星拋射物，無法估計(jì)未來有多少比例的塵埃‘幸存’下來，并被釋放到星際空間。”李志遠(yuǎn)說。
“我們研究的最突出之處，是首次在一個(gè)年齡較大的超新星遺跡中找到了塵埃的蹤影，并有效估計(jì)了‘幸存’塵埃的比率。”李志遠(yuǎn)說。尋找星際塵埃的辦法，是搜索它在紅外波段的輻射。來自美國(guó)康奈爾大學(xué)和中國(guó)南京大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員利用平流層紅外天文臺(tái)搭載的觀測(cè)儀器，在朝向銀河系中心的方向進(jìn)行觀測(cè)。“在這一方向星際塵埃分布最為密集，絕大部分來自銀心的可見光輻射被吸收，因此紅外、射電和X射線等波段是主要的觀測(cè)波段。”研究人員在距離地球2.7萬光年的位置發(fā)現(xiàn)了一個(gè)延展為數(shù)光年的紅外射線源。經(jīng)過天區(qū)位置比對(duì)、紅外光譜特征比對(duì)以及X射線觀測(cè)比對(duì)，研究人員確認(rèn)這一紅外源位于超新星遺跡“人馬座A東”內(nèi)部。“而且這個(gè)超新星爆發(fā)距今已有1萬年，X射線觀測(cè)也表明反向激波已經(jīng)完全掃過遺跡內(nèi)部，目前看到的塵埃已經(jīng)經(jīng)受了反向激波的‘考驗(yàn)’。”李志遠(yuǎn)說。研究發(fā)現(xiàn)，該紅外源包含的塵埃質(zhì)量為太陽質(zhì)量的2%，而超新星爆發(fā)形成固體塵埃一般在0.1倍至1倍太陽質(zhì)量，也就是說有7%—20%的塵埃在那場(chǎng)橫掃超新星遺跡內(nèi)部的激波中存留了下來。“根據(jù)超新星爆發(fā)率，我們認(rèn)為10%—20%的超新星遺跡塵埃存留便可以構(gòu)成宇宙早期星系中塵埃的主要部分。觀測(cè)結(jié)果與此非常吻合。” 李志遠(yuǎn)說，這項(xiàng)研究為宇宙早期星際塵埃來自超新星這一理論提供了觀測(cè)證據(jù)。“1萬年與140億年比很短暫。但遙遠(yuǎn)的宇宙深處細(xì)節(jié)很難分辨，天文學(xué)家往往是從近處著手，支持或推翻相關(guān)理論的細(xì)節(jié)，直至看清宇宙的真實(shí)面目。”
參與這項(xiàng)研究的主要研究者為美國(guó)康奈爾大學(xué)瑞安·劉，美國(guó)康乃爾大學(xué)天文學(xué)教授特里·赫特，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校馬克·莫里斯，南京大學(xué)李志遠(yuǎn)，美國(guó)航空航天局艾姆斯研究中心喬·亞當(dāng)斯。
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