地球上的玻璃是遠古恆星的“遺物”嗎

2018-12-07 23:50

原標題:地球上的玻璃是遠古恆星的“遺物”嗎

  天聞頻道

  當你凝視玻璃杯或走在沙灘上時,是否會聯想到這些材料跟恆星的死亡有關?

  近日,一個國際科學家團隊表示,他們已經發現,離地球數十億光年的兩個超新星的殘余物中包含玻璃的主要成分二氧化硅。研究人員使用美國國家航空航天局的斯皮策太空望遠鏡來分析垂死恆星發出的光,獲得了二氧化硅的“指紋”。

  宇宙中所有重元素的熔爐

  “這是我們首次証明,超新星爆發產生的二氧化硅足以對整個宇宙中的塵埃產生影響。”英國卡迪夫大學物理和天文學院的海莉·戈麥斯(Haley Gomez)表示。

  實際上,地球上大部分自然元素都與超新星爆發過程有關。為什麼這是第一次証實超新星產生的硅元素足夠成為宇宙塵埃中硅元素的來源呢?中國科學院國家天文台研究員鄧李才告訴科技日報記者:“從理論上來講,科學家很早就知道超新星爆發能夠產生硅元素,而本次研究的突破主要是在觀測層面進行了証實。”

  “恆星是宇宙中所有重元素的熔爐。”鄧李才解釋道,宇宙大爆炸初期的主要成分是氫和氦,氫約佔80%,氦約佔20%。在恆星演化過程中,氫最先燃燒,氫燃燒完以后再點燃氦,氦燃燒的過程中會產生碳和氧。“碳氧燃燒的過程就會產生硅、鈣、鎂等元素,這些元素也會燃燒,不過需要更高的溫度。”

  這種先后燃燒的機制跟恆星的溫度分布有關,恆星中央溫度最高。“就像洋蔥一樣,一層一層燃燒,它可以確保恆星內部結構的平衡。”鄧李才告訴記者。

  在“洋蔥”中,有兩層與硅元素的產生有關。一層是硅自身的燃燒,一層是產生硅元素的燃燒過程。鄧李才說:“如果這兩個燃燒過程在超新星爆發前還未結束,其中的硅元素就會在超新星爆發時被拋射到宇宙之中。”

  除了氫和氦,氧也很活躍,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塵埃的主要成分。如果遇到合適的條件,塵埃就會冷卻聚集,慢慢變大,最后變成第二代及以后的恆星或行星,比如地球。“在宇宙中,這個過程非常普遍。”鄧李才表示。二氧化硅約佔地殼的60%。從某種程度上講,地球上的二氧化硅是遠古恆星的“遺物”。

  在觀測中逐步驗証理論預言

  硅元素在恆星演化中生成,這一觀點的理論解釋已經比較成熟,但觀測起來有困難。“因為觀測時,需要這種恆星是大質量恆星,質量至少是8個太陽質量,甚至到超過100個太陽質量。”

  大質量恆星演化晚期,元素合成至鐵后,內部將不再通過熱核反應產生新能量,巨大的引力使整個星體迅速向中心坍縮。一種結局是將中心物質都壓成中子狀態,形成中子星,質量更大的核心甚至塌縮成為黑洞。

  大質量恆星都是以爆發為Ⅱ型超新星結束它們的一生。鄧李才告訴記者,一般而言,大質量恆星超新星爆炸會把大部分或者全部物質拋射進入太空,最終留下中子星或黑洞,具體情況視恆星的初始質量和物理狀態而定。

  但是,大質量恆星在宇宙中很少。“宇宙中大多數恆星爆發為Ⅰa型超新星,它們的前身是雙星中的小質量恆星,原因是小質量恆星在形成時就比大質量恆星比例高。在超新星爆炸時,小質量恆星(比如雙星系統中的白矮星)跟大質量恆星拋出去的物質並不一樣。這就給觀測硅元素的誕生帶來難度。”鄧李才說。

  其實這就好比探測暗物質。鄧李才說:“理論上來看,宇宙中存在暗物質,但我們還無法探測到。也許暗物質的相互作用會發出某種輻射,科學家們常常通過探測理論預言的輻射去探測暗物質。”

  觀測硅元素也是如此。“理論上講,通過恆星演化可以預測硅的產生甚至可以預言硅的產量。而這次研究觀測到超新星遺跡中的硅元素,是對以往理論的証明。”鄧李才告訴記者,宇宙中有很多不確定性,通過觀測可以有新發現,也可以排除一些理論假說。

  需要注意的是,恆星爆炸並不是直接產生玻璃,而是產生制造玻璃的材料。“當我們沿著人行道走或踏上沙灘,都在與數百萬年前燃燒的爆炸恆星制成的材料相互作用。”海莉·戈麥斯說。(代小佩)

(責編:左瑞、鄧楠)

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