70亿年前星尘,最古老的固体物质

  不爱又何必纠缠        2020-02-21 17:29:37

恒星由太空中的少量尘埃和气体相互碰撞、挤压并加热形成。它们有一定生命周期,会在燃烧数百万到数亿年后死去,死去时会将气流中形成的粒子抛向太空,这些粒子组成的星尘碎片最终会形成新的恒星、行星、卫星和陨石。在50年前坠入澳大利亚的陨石中,科学家发现50亿至70亿年前形成的星尘,这也是迄今在地球上发现的最古老的固体物质。这项研究已发表在PNAS上。

70亿年前星尘,最古老的固体物质

论文的主要作者Philipp Heck说,“这是我所做过的最令人激动的研究之一。这些星尘碎片是迄今为止在地球上发现的最古老的固体物质,能告诉我们银河系中的行星是怎样形成的。”他也是菲尔德自然史博物馆馆长、芝加哥大学的副教授。


Heck和同事检查的星尘碎片被称作太阳前颗粒,形成于太阳诞生之前。他表示,“它们是恒星的固体样本,是真正的星尘。”这些星尘被困于陨石中,几十亿年来一直保持不变,因此它们是记录了太阳系形成之前恒星变化的“时间胶囊”。


但太阳前颗粒非常稀有,并且很难找到,只有5%的坠落于地球的陨石中才存在这种颗粒。它们的颗粒很小,将百个最大的星尘颗粒放在一起才组成一个可见的黑点。菲尔德自然史博物馆拥有最大的默奇森陨石块,由澳大利亚维多利亚州默奇森市的市民提供给科学界。这块陨石于1969年坠落在澳大利亚,其中含有珍贵的太阳前颗粒。而此次研究的太阳前颗粒是从30年前存放在芝加哥大学的默奇森陨石上分离出来的。


“一切从陨石碎片粉碎成粉末开始,”芝加哥大学的研究生,文章的联合作者Jennika Greer解释道,“一旦所有的碎片被分离,它们就是一团浆糊,有刺激性味道——闻起来像烂花生酱。”陨石浆糊通过酸溶解后,会只剩下太阳前颗粒。Heck表示,“就像在干草堆里找针一样困难。”


一旦分离出太阳前颗粒,研究人员则要查明它们来自于哪一类型的恒星,年龄有多大。“我们基于太阳前颗粒在宇宙射线(穿过银河系并穿透固体物质的高能粒子)暴露的程度,获得它们的年龄数据,”Heck解释道,“一些宇宙射线与物质相互作用,会形成新元素。这些太阳前颗粒暴露的时间越长,形成的新元素就会越多。”


他补充说道,“我将这比作一个放在暴雨中的水桶。假设降雨量是恒定的,水桶中积聚的水能够表明它在暴雨中暴露的时间。”通过测量太阳前颗粒中有多少由宇宙射线产生的新元素,我们可以得知太阳前颗粒在宇宙射线下暴露的时长——告诉我们它们的年龄有多大。


基于太阳前颗粒吸收的宇宙射线,研究人员了解到样本中的一些太阳前颗粒是迄今为止发现最古老的,大多数46到49亿岁,有些太阳前颗粒的年龄甚至超过55亿岁。需要指出的是,太阳的年龄是46亿岁。


但这一研究的终点并非是获得这些太阳前颗粒的年龄。太阳前颗粒是恒星死去时形成的,它们可以告诉我们恒星的历史。而在70亿年前,明显有大量新的恒星形成。


“我们拥有比预期更多的太阳前颗粒数量,”Heck说,“我们的假设是这些太阳前颗粒形成于大多数49亿到46亿年前,在太阳系形成前是一个恒星形成的增长期,当时有更多的恒星形成。”


在科学家中一直存在争议:新的恒星的形成速率是稳定的,还是随时间推移形成速率会时快时慢,而这一发现很有说服力证明了后一观点。“有些人认为,银河系中恒星形成速率是恒定的,”Heck说,“多亏了这些太阳前颗粒可作为直接证据表明:70亿年前,银河系中存在一段恒星形成的增长期。这是我们研究的关键发现之一。”


Heck指出,这并非他的团队唯一意外发现的事情。除主要研究问题外,在研究太阳前颗粒与宇宙射线相互作用的方式时,研究人员也了解到太阳前颗粒常常漂浮在宇宙中,聚集在一起形成巨大一团。“它们就像聚集在一起的麦片,”Heck说,“之前海没有人认为这种的颗粒聚集是可能发生的。”


Heck和同事希望这些发现能拓展我们对于银河系的认识。他说,“通过这一研究,我们已直接确定了星尘的寿命。希望这会被接受并继续研究,人们可将其作为整个宇宙生命周期模型的初始信息。”


Heck提示到,有关太阳前颗粒和早期太阳系寿命的问题,仍有很多值得去回答。他说道,“我希望,能有更多的人致力于这方面研究,去更多了解我们的母星系——银河系。”


“我总是想利用手中的地质样品研究天文学,”Heck说,“回顾银河系的历史是一件令人激动的事。从这些星尘到达地球的最古老物质(星尘)中,我们可以了解我们的母恒星、我们体内碳的来源和呼吸的氧气来源。利用星尘,我们可以将物质追溯到太阳诞生之前的时间。”而Greer表示,“下一件最棒的事,将是能够直接从恒星上采集样品。”

来源:菲尔德自然历史博物馆

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