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谁动了早期宇宙的奶酪?

新华网    
admin    
2015-06-14

大爆炸之后,宇宙中充满了主要由氢元素构成的原初气体,并由此形成了第一代恒星和星系。一百四十亿年后,当天文学家将目光对准遥远的星空时,发现早期宇宙中存在着大量的尘埃。这些尘埃从何而来一直困惑着天文学家。有理论认为,超新星爆发形成的尘埃是宇宙早期星系中尘埃的主要来源。《科学》杂志3月19日发表的一篇论文,为这一理论首次提供了观测佐证。

恒星是内部发生着剧烈核反应的气体球。在这个炙热的“熔炉”中,氢元素聚变成氦,继而聚变为碳、氮等更重的元素,直至形成致密的重元素铁。当内部核反应无法继续支撑恒星自身平衡时,质量较大的恒星会以一次耀眼的爆发结束它的一生,并在爆发中将构成恒星的物质撒向广袤宇宙。有理论认为,在这个被称为超新星爆发的过程中形成的尘埃,是早期宇宙中尘埃的主要来源。“对尘埃的观测也表明,其主要成分为硅、铁等重元素,而不是氢元素,这说明这些尘埃曾经历过恒星内部核反应。”论文作者之一、南京大学天文与空间科学学院教授李志远说。

然而,这一理论并非毫无争议。超新星爆发后会形成气体与尘埃构成的超新星遗迹,并快速向外部星际空间扩张。在遗迹外部是温度较低的星际气体。高温物质与低温物质的相遇注定不是风平浪静。一股快速反向传播的激波迅速形成,并将逐渐把遗迹内部的未转化为尘埃的剩余抛射物加热到上百万度的高温,这时候的遗迹内部就像是一个大熔炉。“而尘埃是直径在1微米左右的固体颗粒。它们被高温带电粒子包围后会在较短时间内被‘熔化’。”李志远说。确定在这场相遇中是否超新星爆发产生的所有尘埃被消灭,是说明星际尘埃来源的关键。事实上,天文学家之前曾经在其他超新星遗迹中探寻到尘埃踪影,比如超新星SN1987A和仙后座A的遗迹。“但这些超新星遗迹年龄不超过几百年,在天文学上看来都太年轻,反向激波还没来得及完全扫过超新星抛射物,无法估计未来有多少比例的尘埃‘幸存’下来,并被释放到星际空间。”李志远说。

“我们研究的最突出之处,是首次在一个年龄较大的超新星遗迹中找到了尘埃的踪影,并有效估计了‘幸存’尘埃的比率。”李志远说。寻找星际尘埃的办法,是搜索它在红外波段的辐射。来自美国康奈尔大学和中国南京大学等机构的研究人员利用平流层红外天文台搭载的观测仪器,在朝向银河系中心的方向进行观测。“在这一方向星际尘埃分布最为密集,绝大部分来自银心的可见光辐射被吸收,因此红外、射电和X射线等波段是主要的观测波段。”研究人员在距离地球2.7万光年的位置发现了一个延展为数光年的红外射线源。经过天区位置比对、红外光谱特征比对以及X射线观测比对,研究人员确认这一红外源位于超新星遗迹“人马座A东”内部。“而且这个超新星爆发距今已有1万年,X射线观测也表明反向激波已经完全扫过遗迹内部,目前看到的尘埃已经经受了反向激波的‘考验’。”李志远说。研究发现,该红外源包含的尘埃质量为太阳质量的2%,而超新星爆发形成固体尘埃一般在0.1倍至1倍太阳质量,也就是说有7%—20%的尘埃在那场横扫超新星遗迹内部的激波中存留了下来。“根据超新星爆发率,我们认为10%—20%的超新星遗迹尘埃存留便可以构成宇宙早期星系中尘埃的主要部分。观测结果与此非常吻合。” 李志远说,这项研究为宇宙早期星际尘埃来自超新星这一理论提供了观测证据。“1万年与140亿年比很短暂。但遥远的宇宙深处细节很难分辨,天文学家往往是从近处着手,支持或推翻相关理论的细节,直至看清宇宙的真实面目。”

参与这项研究的主要研究者为美国康奈尔大学瑞安·刘,美国康乃尔大学天文学教授特里·赫特,美国加州大学洛杉矶分校马克·莫里斯,南京大学李志远,美国航空航天局艾姆斯研究中心乔·亚当斯。

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