當(dāng)你凝視玻璃杯或走在沙灘上時(shí)，是否會(huì)聯(lián)想到這些材料跟恒星的死亡有關(guān)?

近日，一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)表示，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，離地球數(shù)十億光年的兩個(gè)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(guó)國(guó)家航空航天局的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)分析垂死恒星發(fā)出的光，獲得了二氧化硅的“指紋”。

宇宙中所有重元素的熔爐

“這是我們首次證明，超新星爆發(fā)產(chǎn)生的二氧化硅足以對(duì)整個(gè)宇宙中的塵埃產(chǎn)生影響。”英國(guó)卡迪夫大學(xué)物理和天文學(xué)院的海莉·戈麥斯(Haley Gomez)表示。

實(shí)際上，地球上大部分自然元素都與超新星爆發(fā)過(guò)程有關(guān)。為什么這是第一次證實(shí)超新星產(chǎn)生的硅元素足夠成為宇宙塵埃中硅元素的來(lái)源呢?中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員鄧?yán)畈鸥嬖V科技日?qǐng)?bào)記者：“從理論上來(lái)講，科學(xué)家很早就知道超新星爆發(fā)能夠產(chǎn)生硅元素，而本次研究的突破主要是在觀測(cè)層面進(jìn)行了證實(shí)。”

“恒星是宇宙中所有重元素的熔爐。”鄧?yán)畈沤忉尩溃钪娲蟊ǔ跗诘闹饕煞质菤浜秃ぃ瑲浼s占80%，氦約占20%。在恒星演化過(guò)程中，氫最先燃燒，氫燃燒完以后再點(diǎn)燃氦，氦燃燒的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生碳和氧。“碳氧燃燒的過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生硅、鈣、鎂等元素，這些元素也會(huì)燃燒，不過(guò)需要更高的溫度。”

這種先后燃燒的機(jī)制跟恒星的溫度分布有關(guān)，恒星中央溫度最高。“就像洋蔥一樣，一層一層燃燒，它可以確保恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平衡。”鄧?yán)畈鸥嬖V記者。

在“洋蔥”中，有兩層與硅元素的產(chǎn)生有關(guān)。一層是硅自身的燃燒，一層是產(chǎn)生硅元素的燃燒過(guò)程。鄧?yán)畈耪f(shuō)：“如果這兩個(gè)燃燒過(guò)程在超新星爆發(fā)前還未結(jié)束，其中的硅元素就會(huì)在超新星爆發(fā)時(shí)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(huì)冷卻聚集，慢慢變大，最后變成第二代及以后的恒星或行星，比如地球。“在宇宙中，這個(gè)過(guò)程非常普遍。”鄧?yán)畈疟硎尽６趸杓s占地殼的60%。從某種程度上講，地球上的二氧化硅是遠(yuǎn)古恒星的“遺物”。

在觀測(cè)中逐步驗(yàn)證理論預(yù)言

硅元素在恒星演化中生成，這一觀點(diǎn)的理論解釋已經(jīng)比較成熟，但觀測(cè)起來(lái)有困難。“因?yàn)橛^測(cè)時(shí)，需要這種恒星是大質(zhì)量恒星，質(zhì)量至少是8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，甚至到超過(guò)100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。”

大質(zhì)量恒星演化晚期，元素合成至鐵后，內(nèi)部將不再通過(guò)熱核反應(yīng)產(chǎn)生新能量，巨大的引力使整個(gè)星體迅速向中心坍縮。一種結(jié)局是將中心物質(zhì)都?jí)撼芍凶訝顟B(tài)，形成中子星，質(zhì)量更大的核心甚至塌縮成為黑洞。

大質(zhì)量恒星都是以爆發(fā)為Ⅱ型超新星結(jié)束它們的一生。鄧?yán)畈鸥嬖V記者，一般而言，大質(zhì)量恒星超新星爆炸會(huì)把大部分或者全部物質(zhì)拋射進(jìn)入太空，最終留下中子星或黑洞，具體情況視恒星的初始質(zhì)量和物理狀態(tài)而定。

但是，大質(zhì)量恒星在宇宙中很少。“宇宙中大多數(shù)恒星爆發(fā)為Ⅰa型超新星，它們的前身是雙星中的小質(zhì)量恒星，原因是小質(zhì)量恒星在形成時(shí)就比大質(zhì)量恒星比例高。在超新星爆炸時(shí)，小質(zhì)量恒星(比如雙星系統(tǒng)中的白矮星)跟大質(zhì)量恒星拋出去的物質(zhì)并不一樣。這就給觀測(cè)硅元素的誕生帶來(lái)難度。”鄧?yán)畈耪f(shuō)。

其實(shí)這就好比探測(cè)暗物質(zhì)。鄧?yán)畈耪f(shuō)：“理論上來(lái)看，宇宙中存在暗物質(zhì)，但我們還無(wú)法探測(cè)到。也許暗物質(zhì)的相互作用會(huì)發(fā)出某種輻射，科學(xué)家們常常通過(guò)探測(cè)理論預(yù)言的輻射去探測(cè)暗物質(zhì)。”

觀測(cè)硅元素也是如此。“理論上講，通過(guò)恒星演化可以預(yù)測(cè)硅的產(chǎn)生甚至可以預(yù)言硅的產(chǎn)量。而這次研究觀測(cè)到超新星遺跡中的硅元素，是對(duì)以往理論的證明。”鄧?yán)畈鸥嬖V記者，宇宙中有很多不確定性，通過(guò)觀測(cè)可以有新發(fā)現(xiàn)，也可以排除一些理論假說(shuō)。

需要注意的是，恒星爆炸并不是直接產(chǎn)生玻璃，而是產(chǎn)生制造玻璃的材料。“當(dāng)我們沿著人行道走或踏上沙灘，都在與數(shù)百萬(wàn)年前燃燒的爆炸恒星制成的材料相互作用。”海莉·戈麥斯說(shuō)。

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