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地球上的玻璃是远古恒星的“遗物”吗

2018-12-06 09:27来源:科技日报

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  当你凝视玻璃杯或走在沙滩上时,是否会联想到这些材料跟恒星的死亡有关?

  近日,一个国际科学家团队表示,他们已经发现,离地球数十亿光年的两个超新星的残余物中包含玻璃的主要成分二氧化硅。研究人员使用美国国家航空航天局的斯皮策太空望远镜来分析垂死恒星发出的光,获得了二氧化硅的“指纹”。

  宇宙中所有重元素的熔炉

  “这是我们首次证明,超新星爆发产生的二氧化硅足以对整个宇宙中的尘埃产生影响。”英国卡迪夫大学物理和天文学院的海莉·戈麦斯(Haley Gomez)表示。

  实际上,地球上大部分自然元素都与超新星爆发过程有关。为什么这是第一次证实超新星产生的硅元素足够成为宇宙尘埃中硅元素的来源呢?中国科学院国家天文台研究员邓李才告诉科技日报记者:“从理论上来讲,科学家很早就知道超新星爆发能够产生硅元素,而本次研究的突破主要是在观测层面进行了证实。”

  “恒星是宇宙中所有重元素的熔炉。”邓李才解释道,宇宙大爆炸初期的主要成分是氢和氦,氢约占80%,氦约占20%。在恒星演化过程中,氢最先燃烧,氢燃烧完以后再点燃氦,氦燃烧的过程中会产生碳和氧。“碳氧燃烧的过程就会产生硅、钙、镁等元素,这些元素也会燃烧,不过需要更高的温度。”

  这种先后燃烧的机制跟恒星的温度分布有关,恒星中央温度最高。“就像洋葱一样,一层一层燃烧,它可以确保恒星内部结构的平衡。”邓李才告诉记者。

  在“洋葱”中,有两层与硅元素的产生有关。一层是硅自身的燃烧,一层是产生硅元素的燃烧过程。邓李才说:“如果这两个燃烧过程在超新星爆发前还未结束,其中的硅元素就会在超新星爆发时被抛射到宇宙之中。”

  除了氢和氦,氧也很活跃,遇到硅之后,就形成了二氧化硅。而二氧化硅是制造玻璃和形成尘埃的主要成分。如果遇到合适的条件,尘埃就会冷却聚集,慢慢变大,最后变成第二代及以后的恒星或行星,比如地球。“在宇宙中,这个过程非常普遍。”邓李才表示。二氧化硅约占地壳的60%。从某种程度上讲,地球上的二氧化硅是远古恒星的“遗物”。

  在观测中逐步验证理论预言

  硅元素在恒星演化中生成,这一观点的理论解释已经比较成熟,但观测起来有困难。“因为观测时,需要这种恒星是大质量恒星,质量至少是8个太阳质量,甚至到超过100个太阳质量。”

  大质量恒星演化晚期,元素合成至铁后,内部将不再通过热核反应产生新能量,巨大的引力使整个星体迅速向中心坍缩。一种结局是将中心物质都压成中子状态,形成中子星,质量更大的核心甚至塌缩成为黑洞。

  大质量恒星都是以爆发为Ⅱ型超新星结束它们的一生。邓李才告诉记者,一般而言,大质量恒星超新星爆炸会把大部分或者全部物质抛射进入太空,最终留下中子星或黑洞,具体情况视恒星的初始质量和物理状态而定。

  但是,大质量恒星在宇宙中很少。“宇宙中大多数恒星爆发为Ⅰa型超新星,它们的前身是双星中的小质量恒星,原因是小质量恒星在形成时就比大质量恒星比例高。在超新星爆炸时,小质量恒星(比如双星系统中的白矮星)跟大质量恒星抛出去的物质并不一样。这就给观测硅元素的诞生带来难度。”邓李才说。

  其实这就好比探测暗物质。邓李才说:“理论上来看,宇宙中存在暗物质,但我们还无法探测到。也许暗物质的相互作用会发出某种辐射,科学家们常常通过探测理论预言的辐射去探测暗物质。”

  观测硅元素也是如此。“理论上讲,通过恒星演化可以预测硅的产生甚至可以预言硅的产量。而这次研究观测到超新星遗迹中的硅元素,是对以往理论的证明。”邓李才告诉记者,宇宙中有很多不确定性,通过观测可以有新发现,也可以排除一些理论假说。

  需要注意的是,恒星爆炸并不是直接产生玻璃,而是产生制造玻璃的材料。“当我们沿着人行道走或踏上沙滩,都在与数百万年前燃烧的爆炸恒星制成的材料相互作用。”海莉·戈麦斯说。(代小佩)

[责编:张佳兴]

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