星塵迷蹤

張唯誠(chéng)

宇宙中的灰塵是一些極為細(xì)小的顆粒，由非晶質(zhì)碳、碳酸鹽和硅酸鹽等物質(zhì)組成，直徑僅為1微米的幾分之一，名為星塵。假如沒(méi)有它們，我們的夜空一定會(huì)明亮很多，因?yàn)槲覀儠?huì)看到更多的恒星；但假如真的沒(méi)有它們，天上的恒星又會(huì)難以產(chǎn)生，因?yàn)檎撬鼈兝鋮s星際云，才促成星際云坍塌成恒星。與此同時(shí)，它們還促使一些微小的分子結(jié)合成更復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，引發(fā)一系列更神奇的化學(xué)變化。天文學(xué)家說(shuō)，星塵是星球誕生的起點(diǎn)，是生命形成的材料，也是我們理解宇宙的關(guān)鍵。然而，星塵來(lái)自哪里？它們的作用如何體現(xiàn)？

誰(shuí)弄臟了宇宙

是的，就在不久前，我們以為找到了答案?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)壽恒星在它們生命的最后階段會(huì)變成一座“塵埃工廠”。當(dāng)一顆類(lèi)似太陽(yáng)的恒星進(jìn)入晚年，其內(nèi)部活動(dòng)就會(huì)發(fā)生變化，這種變化會(huì)引發(fā)恒星膨脹，使其變成一顆紅巨星。當(dāng)太陽(yáng)進(jìn)入晚年時(shí)，就會(huì)吞沒(méi)水星、金星，甚至地球。這對(duì)太陽(yáng)系中的生命來(lái)說(shuō)自然不是好事，但對(duì)星塵來(lái)說(shuō)，那是難得的“好日子”。因?yàn)檫@時(shí)太陽(yáng)稀薄的外層大氣會(huì)為熾熱的氣體提供轉(zhuǎn)變成固體塵埃的完美環(huán)境，于是大量星塵被“制造”了出來(lái)。在銀河系中，我們能看到很多這樣的實(shí)例。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在已經(jīng)有1 0 0多億年歷史的銀河系中，出現(xiàn)大量塵埃的地方正是大量紅巨星存在和消亡的

地方。然而，一個(gè)星系并不能等同整個(gè)宇宙。英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的天文學(xué)家松浦加子說(shuō)：“一旦我們的視線超越銀河系，這樣的解釋就說(shuō)不通了?！鞭D(zhuǎn)變發(fā)生在2 0世紀(jì)9 0年代。當(dāng)時(shí)，人類(lèi)先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡可以看到宇宙誕生幾億年后生成的遙遠(yuǎn)星系，而恒星至少需要1 0億年才能進(jìn)入紅巨星階段。假如只有紅巨星才能“制造”塵埃，那么在那時(shí)的宇宙中理應(yīng)是沒(méi)有塵埃的。然而事實(shí)不是這樣?？茖W(xué)家在早期宇宙的星系里發(fā)現(xiàn)了大量塵埃，一個(gè)重要的實(shí)例就是星系J 1 1 4 8+ 5 2 5 1。它在宇宙大爆炸后僅9億年就出現(xiàn)在宇宙中。人們?cè)谀抢镎业搅舜罅繅m埃，其數(shù)量超過(guò)銀河系塵埃量的1 0倍。丹麥哥本哈根大學(xué)的天體

物理學(xué)家拉爾斯·馬特森說(shuō)：“毫無(wú)疑問(wèn)，宇宙的過(guò)去比現(xiàn)在擁有更多的塵埃?！?/p>

事實(shí)給天文學(xué)家出了一道新的難題，那就是在紅巨星之外，一定有其他東西在早期宇宙中制造了塵埃，而且能力還非常強(qiáng)大。但是，那是什么呢？通過(guò)天文觀測(cè)，科學(xué)家最終找到了那些“弄臟了”早期宇宙的“嫌疑犯”，它們就是由恒星爆發(fā)形成的超新星。在早期宇宙中，恒星的形成速度比現(xiàn)在快得多，它們的生存節(jié)奏也更快，年紀(jì)輕輕就走向了死亡。在類(lèi)似J1 1 4 8+5 2 5 1的早期星系中，恒星產(chǎn)生的頻率非常高，那里會(huì)出現(xiàn)大量超新星，因而也會(huì)產(chǎn)生大量塵埃。

真正的塵埃工廠

為了探索究竟，松浦加子和她的同事使用歐空局的赫歇爾空間天文臺(tái)觀測(cè)離我們很近的天體SN 1 9 8 7A。這是一顆于1 9 8 7年爆發(fā)（觀測(cè)時(shí)間）的恒星留下的超新星遺跡，位于我們銀河系的鄰居大麥哲倫星云

中。它是在人類(lèi)發(fā)明望遠(yuǎn)鏡后出現(xiàn)的離我們最近的超新星遺跡，是天文學(xué)家檢驗(yàn)恒星爆發(fā)理論最理想的觀測(cè)目標(biāo)。

當(dāng)可見(jiàn)光的光子與一粒塵埃發(fā)生碰撞時(shí)，其產(chǎn)生的能量會(huì)被塵埃吸收，同時(shí)使塵埃的熱度升高一點(diǎn)點(diǎn)。這點(diǎn)熱度會(huì)以紅外光的方式釋放到太空中，而這些紅外光有可能被赫歇爾空間天文臺(tái)觀測(cè)到。赫歇爾空間天文臺(tái)于2 0 0 9年5月1 4日升空，擅長(zhǎng)收集來(lái)自宇宙深空的、由極寒冷和極遙遠(yuǎn)的天體發(fā)出的輻射，是當(dāng)之無(wú)愧的觀測(cè)星塵的利器。

科學(xué)家發(fā)表了他們的研究成果。他們說(shuō)，按照傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，SN 1 9 8 7A 至多能產(chǎn)生相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量1/1 0的塵埃。然而，實(shí)際的觀測(cè)顯示，圍繞著這個(gè)恒星爆發(fā)遺跡的塵埃量是原來(lái)估計(jì)的4倍至7倍，足以制

造2 0萬(wàn)個(gè)地球?？茖W(xué)家由此認(rèn)定，星塵真正的“制造工廠”并不是紅巨星，而應(yīng)該是超新星。

第三種可能

不過(guò)，即使超新星制造了大量塵埃，它爆發(fā)的強(qiáng)大力量還是會(huì)摧毀那些塵埃，使它們重新回歸原子狀態(tài)。即使它們?cè)诔滦潜l(fā)初始階段幸存下來(lái)，在此后的漫長(zhǎng)時(shí)間里能不能躲進(jìn)太空的星際塵埃庫(kù)中還很難說(shuō)。超新星爆發(fā)的沖擊波會(huì)在超新星附近存在幾個(gè)世紀(jì)，同樣可能摧毀那些固體的顆粒。所以，松浦加子說(shuō)：“星塵的生存是一個(gè)未知的問(wèn)題，我們希望它們能存活下來(lái)，但究竟會(huì)怎樣，我們也不知道?！奔偃邕b遠(yuǎn)星系中的塵埃不是來(lái)自紅巨星（因?yàn)樵缙谟钪嬷袥](méi)有紅巨星），也不是來(lái)自超新星（因?yàn)槌滦巧傻男菈m多數(shù)被生成它們的超新星摧毀了），那么該如何解釋星塵的來(lái)源呢？美國(guó)普林斯頓大學(xué)的布魯斯·迪恩提出了第三種可能：在星系中恒星間相對(duì)空曠的地方，塵埃會(huì)自動(dòng)生成。在迪恩看來(lái)，他的這個(gè)觀點(diǎn)是有充分依據(jù)的。他認(rèn)為，即使超新星的沖擊波在沖擊星系時(shí)會(huì)摧毀部分塵埃，但大量塵埃依然可以存在于星際空間中，因?yàn)樾请H空間存在不少密度更高的分子云，它們會(huì)成為星塵的避難所。來(lái)自超新星和紅巨星的微小顆?？梢栽谀切┑胤胶铣尚碌膲m埃。還有人推測(cè)，游弋在星際空間中的各類(lèi)物質(zhì)通過(guò)重新凝結(jié)也能產(chǎn)生大量塵埃，這些物質(zhì)——例如游離在宇宙中的原子、離子和分子等與已有的塵埃相互碰撞后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的新的塵埃顆?！獣?huì)形成塵埃云，并且變得越來(lái)越密集，最終坍塌形成新的恒星和行星。

促進(jìn)宇宙中水的形成

隨著研究的深入， 星塵的更多作用也被證實(shí)。倫敦自然歷史博物館的礦物學(xué)家安東·克斯利說(shuō)：“我們?cè)诓粩嗟卦庥鲂菈m。太陽(yáng)系繞著銀河系中心運(yùn)行，因此我們的周?chē)鷮?shí)際上就存在著大量星塵?！?/p>

但科學(xué)家研究星塵的利器依然是各種功能強(qiáng)大的現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡。最近，科學(xué)家用阿塔卡馬大型毫米波/ 亞毫米波陣列觀察了蛇夫座的恒星形成區(qū)。那里距地球大約4 0 0光年，存在著非常寒冷且濃密的宇宙氣體

和塵埃。

阿塔卡馬大型毫米波/ 亞

毫米波陣列是德國(guó)馬克斯· 普朗克射電天文學(xué)會(huì)、瑞典昂薩拉空間天文臺(tái)和歐洲南方天文臺(tái)合作的產(chǎn)物，位于智利安第斯山脈海拔5 0 0 0米的查南托高原上。在這次觀測(cè)中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大量的過(guò)氧化氫分子。

過(guò)氧化氫對(duì)天文學(xué)家和化學(xué)家來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的分子，因?yàn)樗男纬蛇B接著兩種常見(jiàn)的分子：氧分子和水。在這次觀測(cè)中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這種物質(zhì)是在星塵表面形成的。德國(guó)埃米諾特恒星形成和化學(xué)研究會(huì)的負(fù)責(zé)人貝郎熱爾·帕里斯說(shuō)：“我們并不知道地球上一些重要的分子是如何在太空中形成的，然而，我們用阿塔卡馬大型毫米波/ 亞毫米波陣列發(fā)現(xiàn)了過(guò)氧化氫，它表明星塵是該過(guò)程中未探測(cè)到的重要成分?！?/p>

過(guò)氧化氫的發(fā)現(xiàn)有助于天文學(xué)家更好地理解宇宙中的水是如何形成的，這對(duì)研究生命的發(fā)展和演化相當(dāng)關(guān)鍵。由于地球上的水被認(rèn)為是在太空中形成的，所以星塵在水的形成過(guò)程中所起的作用無(wú)疑會(huì)引起人們極大的關(guān)注。

對(duì)于星塵，更多的秘密有待人們?nèi)ソ獯?。隨著對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的日益深入，人們已經(jīng)意識(shí)到，宇宙演化的關(guān)鍵就隱藏在小小的星塵中，它是我們理解宇宙和生命的鑰匙。endprint