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發現塵埃是恆星、生命化學演化的關鍵,很多是從恆星中噴出來的!


博科園宇宙塵埃是恆星、行星和生命本身化學演化的關鍵,但它的組成還不是很清楚,目前也還不能收集樣本進行分析。有幾個例子以隕石中的行星際塵埃和彗...

- 2020年2月03日01時37分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

宇宙塵埃是恆星、行星和生命本身化學演化的關鍵,但它的組成還不是很清楚,目前也還不能收集樣本進行分析。有幾個例子以隕石中的行星際塵埃和彗星塵埃形式到達地球,但它們複雜的歷史意味著可能不具代表性。因此,研究宇宙塵埃性質的主要方法是天文觀測和模擬物質的實驗室實驗。宇宙塵埃大致分為菸灰狀碳顆粒和更豐富的耐火矽酸鹽顆粒,這兩種顆粒都是從垂死恆星中噴出的。

觀測告訴我們,紅巨星周圍的塵埃中既有無定形矽酸鹽,也有結晶矽酸鹽。但星際介質(ISM)中只有無定形矽酸鹽。在發表在《天文學與天體物理學》期刊上的研究中,由史蒂芬·湯普森博士領導的一組鑽石研究人員證明:微波乾燥可用於廉價且容易地生產無定形Mg-Fe矽酸鹽。然後通過原位熱退火研究了結晶情況,並在模擬原行星圓盤中的塵埃顆粒背景下考慮了結果。塵埃是最早形成的固體物質,研究宇宙塵埃是天體物理學中一個非常活躍的領域。


我們不能精確地複製地球上宇宙塵埃的形成條件,也沒有一種在實驗室產生類似塵埃樣本的方法,可以模擬在恆星周圍和星際介質中觀察到的所有塵埃。然而,通過創建和表征這些樣本,並將它們與天文數據進行比較,找出相似之處和不同之處,增加了對宇宙對應物的形成、組成和演化的理解。其中溶膠-凝膠法是一種從小分子製備固體材料的化學方法。溶膠-凝膠的稠度類似於護手霜,必須乾燥才能形成灰塵樣品。

風乾大約需要24小時,對於希望生產多個樣品的研究人員來說,這是非常耗時的。生產類似塵埃樣品另一個挑戰面是鐵的夾雜,鐵在地球上往往會形成在太空中看不到的鐵鏽(氧化鐵)。雖然在恆星和行星中看到了鐵的證據,但在星際介質中沒有看到它,這就是「缺鐵」問題,一種可能的解釋是納米顆粒中的鐵太小而看不見。另一個原因是鐵被「鎖在」矽酸鹽礦物中,數量太少(不到10%),不會影響塵埃的光譜特性。

使用溶膠-凝膠將鐵結合到矽酸鹽結構中需要特殊的乾燥條件,研究團隊之前曾開發出一種真空乾燥過程。然而,這項研究工作從頭到尾都需要幾天時間才能完成。因此,研究人員研究了是否可以加快模擬樣品的生產,並使用現成方法生產含鐵的矽酸鹽粉塵。研究小組研究了含鐵和不含鐵的微波干凝膠,並用X射線粉末衍射和光束線I11上的總X射線散射、I22上的小角X射線散射和中紅外FTIR光譜研究了它們的性質。

並將微波乾燥的樣品與相同凝膠生產的樣品進行了比較,但使用傳統空氣烘箱和真空爐進行了常規乾燥。研究結果表明,這是一種製作模擬粉塵樣品的優良、快速、簡便、廉價的方法。該研究小組希望它能被其他地方的實驗室物理學家採用,但它也可以有工業應用,例如作為生產納米結構材料的一種手段。這項研究的下一階段是研究非晶態樣品在受熱時會發生什麼。觀測顯示,老恆星噴出無定形矽酸鹽礦物。一旦進入星際介質,它們最終會進入恆星形成區域,並積聚在原行星盤中。

即圍繞年輕恆星旋轉的緻密氣體和塵埃盤。在原行星盤盤中,塵埃顆粒被加熱,並最終結晶成可識別的礦物。因此,原行星盤代表了恆星誕生和行星形成之間的演化階段。原行星盤離恆星越近越熱,所以了解這些礦物結晶的溫度,可以告訴我們它們會在圓盤中的什麼位置,以及它們在那裡呆了多長時間。發現即使向矽酸鹽礦物中添加少量的鐵,也會極大地提高它們的結晶溫度。事實上,在整個圓盤的大部分地區,任何含鐵的矽酸鹽都將保持無定形狀態。


這與天文學家的觀測結果相符,即大多數都存在富含鎂的礦物。還發現在不含鐵的矽酸鹽中形成了少量微晶石(一種高溫二氧化矽礦物)。同樣,在原行星盤中也觀察到了少量的SiO2,更重要的是,在星塵樣本返回任務中發現的早期太陽系彗星物質中也發現了SiO2。作為太陽系中形成的第一個小行星,彗星長期以來一直被認為是我們太陽系形成過程中遺留下來的物質儲存庫,這一過程本應從太陽的原行星盤開始。

博科園|研究/來自:Diamond Light Source


參考期刊《天文學與天體物理學》

DOI: 10.1051/0004-6361/201834691

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