大爆炸之后，宇宙中充滿了主要由氫元素構成的原初氣體，并由此形成了第一代恒星和星系。一百四十億年后，當天文學家將目光對準遙遠的星空時，發現早期宇宙中存在著大量的塵埃。這些塵埃從何而來一直困惑著天文學家。有理論認為，超新星爆發形成的塵埃是宇宙早期星系中塵埃的主要來源。《科學》雜志3月19日發表的一篇論文，為這一理論首次提供了觀測佐證。 恒星是內部發生著劇烈核反應的氣體球。在這個炙熱的“熔爐”中，氫元素聚變成氦，繼而聚變為碳、氮等更重的元素，直至形成致密的重元素鐵。當內部核反應無法繼續支撐恒星自身平衡時，質量較大的恒星會以一次耀眼的爆發結束它的一生，并在爆發中將構成恒星的物質撒向廣袤宇宙。有理論認為，在這個被稱為超新星爆發的過程中形成的塵埃，是早期宇宙中塵埃的主要來源。“對塵埃的觀測也表明，其主要成分為硅、鐵等重元素，而不是氫元素，這說明這些塵埃曾經歷過恒星內部核反應。”論文作者之一、南京大學天文與空間科學學院教授李志遠說。 然而，這一理論并非毫無爭議。超新星爆發后會形成氣體與塵埃構成的超新星遺跡，并快速向外部星際空間擴張。在遺跡外部是溫度較低的星際氣體。高溫物質與低溫物質的相遇注定不是風平浪靜。一股快速反向傳播的激波迅速形成，并將逐漸把遺跡內部的未轉化為塵埃的剩余拋射物加熱到上百萬度的高溫，這時候的遺跡內部就像是一個大熔爐。“而塵埃是直徑在1微米左右的固體顆粒。它們被高溫帶電粒子包圍后會在較短時間內被‘熔化’。”李志遠說。確定在這場相遇中是否超新星爆發產生的所有塵埃被消滅，是說明星際塵埃來源的關鍵。事實上，天文學家之前曾經在其他超新星遺跡中探尋到塵埃蹤影，比如超新星sn1987a和仙后座a的遺跡。“但這些超新星遺跡年齡不超過幾百年，在天文學上看來都太年輕，反向激波還沒來得及完全掃過超新星拋射物，無法估計未來有多少比例的塵埃‘幸存’下來，并被釋放到星際空間。”李志遠說。 “我們研究的最突出之處，是首次在一個年齡較大的超新星遺跡中找到了塵埃的蹤影，并有效估計了‘幸存’塵埃的比率。”李志遠說。尋找星際塵埃的辦法，是搜索它在紅外波段的輻射。來自美國康奈爾大學和中國南京大學等機構的研究人員利用平流層紅外天文臺搭載的觀測儀器，在朝向銀河系中心的方向進行觀測。“在這一方向星際塵埃分布最為密集，絕大部分來自銀心的可見光輻射被吸收，因此紅外、射電和x射線等波段是主要的觀測波段。”研究人員在距離地球2.7萬光年的位置發現了一個延展為數光年的紅外射線源。經過天區位置比對、紅外光譜特征比對以及x射線觀測比對，研究人員確認這一紅外源位于超新星遺跡“人馬座a東”內部。“而且這個超新星爆發距今已有1萬年，x射線觀測也表明反向激波已經完全掃過遺跡內部，目前看到的塵埃已經經受了反向激波的‘考驗’。”李志遠說。研究發現，該紅外源包含的塵埃質量為太陽質量的2%，而超新星爆發形成固體塵埃一般在0.1倍至1倍太陽質量，也就是說有7%—20%的塵埃在那場橫掃超新星遺跡內部的激波中存留了下來。“根據超新星爆發率，我們認為10%—20%的超新星遺跡塵埃存留便可以構成宇宙早期星系中塵埃的主要部分。觀測結果與此非常吻合。” 李志遠說，這項研究為宇宙早期星際塵埃來自超新星這一理論提供了觀測證據。“1萬年與140億年比很短暫。但遙遠的宇宙深處細節很難分辨，天文學家往往是從近處著手，支持或推翻相關理論的細節，直至看清宇宙的真實面目。” 參與這項研究的主要研究者為美國康奈爾大學瑞安·劉，美國康乃爾大學天文學教授特里·赫特，美國加州大學洛杉磯分校馬克·莫里斯，南京大學李志遠，美國航空航天局艾姆斯研究中心喬·亞當斯。 |
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