被困在南極古冰中的星塵

穿越一片星際云

在宇宙中，除了恒星、行星和衛(wèi)星之外，還有很大一部分是充滿(mǎn)了由氣體、等離子體和星塵組成的云，它們被稱(chēng)為星際云。僅在太陽(yáng)系近域，就分布著15個(gè)這樣的星際云。在過(guò)去的數(shù)萬(wàn)年里，我們的太陽(yáng)系正在穿越其中一個(gè)，它被稱(chēng)為本星際云。

太陽(yáng)系穿越本地星際云的路徑。星際云的輪廓以一種星際“指紋”的形式，保存在南極冰層之中。（圖/B. Schr?der/HZDR/ NASA/Goddard/Adler/U.Chicago/Wesleyan）

幾年前，物理學(xué)家Dominik Koll及其合作者在形成時(shí)間不足20年的南極表層雪中，發(fā)現(xiàn)了一種由超新星產(chǎn)生的鐵同位素——鐵-60（??Fe）。當(dāng)時(shí)，研究人員推測(cè)，本星際云中含有鐵-60，并且能夠在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保存它。當(dāng)太陽(yáng)系穿過(guò)這片星際云時(shí)，地球可能收集到了這些物質(zhì)。不過(guò)，這一猜測(cè)當(dāng)時(shí)并未得到證實(shí)。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的新研究中，Koll及其團(tuán)隊(duì)在更加古老的南極冰芯中，探測(cè)到了極其微量的鐵-60，進(jìn)而證實(shí)了最初的猜測(cè)。

藏在南極冰中的星塵指紋

恒星就像宇宙中的熔爐，會(huì)在核心中鍛造出許多元素，從碳、氧，到鈣和鐵。其中也包括鐵-60這樣的稀有同位素。當(dāng)大質(zhì)量恒星在生命盡頭爆發(fā)為超新星時(shí)，這些元素會(huì)被拋射到太空中，成為星際塵埃。這些塵埃中的微小顆粒隨后在銀河系中漂流，并偶爾抵達(dá)地球表面。放射性鐵-60就嵌在這些顆粒之中，它是恒星爆炸留下的“指紋”。

通過(guò)在地球的地質(zhì)檔案中尋找這些原子，天文學(xué)家就能在超新星的光芒早已消散之后，繼續(xù)探查這類(lèi)天體物理事件。這正是南極之所以如此珍貴的原因：南極的積雪累積緩慢，而且基本未受擾動(dòng)，從而形成了一份分層保存的記錄，可追溯到數(shù)萬(wàn)年前。每一層都記錄了當(dāng)時(shí)存在于宇宙近域中的物質(zhì)，就像留下了一張時(shí)間快照。

2019年，當(dāng)研究人員在近代的南極雪樣中意外發(fā)現(xiàn)了這種罕見(jiàn)的鐵-60放射性同位素時(shí)，他們疑惑于這些同位素究竟它來(lái)自何處，因?yàn)榻诘牡厍蚋浇](méi)有發(fā)生超新星爆發(fā)。但還有另一種可能：太陽(yáng)系的近域中分布著15個(gè)星際云，而太陽(yáng)系目前至少正在穿越其中一個(gè)。那么，是否有可能這些星際塵埃一直“藏”在星際云中，隨后在太陽(yáng)系穿過(guò)時(shí)被地球“捕獲”？

突然變少的鐵-60

為了找出答案，在新的研究中，研究人員取用了295千克來(lái)自南極的冰芯，這些冰芯覆蓋的時(shí)間范圍為4萬(wàn)至8.1萬(wàn)年前，這大致對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)系可能進(jìn)入本星際云的時(shí)期。他們先將冰樣融化，提取其中的放射性核素，并使用質(zhì)譜儀識(shí)別出了鐵-60和錳-53，而錳-53，會(huì)在宇宙射線撞擊行星際塵埃時(shí)，與鐵-60一同產(chǎn)生。

隨后，研究人員對(duì)單個(gè)鐵-60原子進(jìn)行了計(jì)數(shù)。他們的預(yù)期是：根據(jù)此前對(duì)南極表層的雪和數(shù)千年歷史的海洋沉積物的測(cè)量，鐵-60的沉積量應(yīng)當(dāng)維持在某個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。然而，通過(guò)將這些樣本中的鐵-60含量與此前的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，在4萬(wàn)至8.1萬(wàn)年前，到達(dá)地球的鐵-60明顯低于今天以及較近時(shí)期的水平。這表明，在那一時(shí)期，到達(dá)地球的星際塵埃更少。

這表明，太陽(yáng)系過(guò)去可能處在一種鐵-60含量較低的星際介質(zhì)中；或者這片星際云本身并不均勻，內(nèi)部有的地方稀薄、有的地方致密。因此，鐵-60信號(hào)在短短幾萬(wàn)年內(nèi)就發(fā)生了變化——在宇宙時(shí)間尺度上，這一變化相當(dāng)迅速。基于這一認(rèn)識(shí)，研究人員得以排除關(guān)于鐵-60輸入來(lái)源的其他解釋?zhuān)鐢?shù)百萬(wàn)年前恒星爆炸留下的信號(hào)正在逐漸減弱這一說(shuō)法。

大海撈針

在這項(xiàng)測(cè)量中，研究團(tuán)隊(duì)使用了澳大利亞國(guó)立大學(xué)的重離子加速器設(shè)施（HIAF）——這是目前世界上唯一能夠探測(cè)如此微量鐵-60的設(shè)施。他們利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)過(guò)濾器，根據(jù)原子質(zhì)量分離掉不需要的原子，直到最初的10萬(wàn)億個(gè)原子中只剩下寥寥幾個(gè)鐵-60原子。這是一項(xiàng)極其艱難的工作，就像是在5萬(wàn)個(gè)裝滿(mǎn)干草、一直堆到屋頂?shù)淖闱驁?chǎng)里尋找一根針。

通過(guò)與國(guó)際同行多年的合作，研究人員開(kāi)發(fā)出了一種極其靈敏的方法。如今，借助這種方法，他們能夠在地質(zhì)檔案中探測(cè)到數(shù)百萬(wàn)年前宇宙爆炸留下的清晰信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在計(jì)劃開(kāi)展進(jìn)一步測(cè)量。他們的目標(biāo)是分析一段年代更久遠(yuǎn)的冰芯，也就是太陽(yáng)系進(jìn)入本地星際云之前形成的冰芯。他們相信，如果繼續(xù)分析更古老的冰層，也許就能進(jìn)一步重建太陽(yáng)系近域這些星際云，尤其是本星際云的來(lái)源和演化歷史。

#參考來(lái)源：

https://theconversation.com/stardust-trapped-in-antarctic-ice-reveals-tens-of-thousands-of-years-of-solar-systems-past-279745

https://physics.aps.org/articles/v19/s54

https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=77574&pNid=99

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/nxjq-jwgp

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Alfred-Wegener-Institute/Esther Horvath