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在50年前墜入澳洲的隕石中,科學家發現50億至70億年前形成的星塵,這也是迄今在地球上發現的最古老的固體物質。

恆星由太空中的少量塵埃和氣體相互碰撞、擠壓並加熱形成。它們有一定生命週期,會在燃燒數百萬到數億年後死去,死去時會將氣流中形成的粒子拋向太空,這些粒子組成的星塵碎片最終會形成新的恆星、行星、衛星和隕石。在50年前墜入澳洲的隕石中,科學家發現50億至70億年前形成的星塵,這也是迄今在地球上發現的最古老的固體物質。這項研究已發表在PNAS上。

論文的主要作者Philipp Heck說,“這是我所做過的最令人激動的研究之一。這些星塵碎片是迄今為止在地球上發現的最古老的固體物質,能告訴我們銀河系中的行星是怎樣形成的。”他也是菲爾德自然史博物館館長、芝加哥大學的副教授。

Heck和同事檢查的星塵碎片被稱作太陽前顆粒,形成於太陽誕生之前。他表示,“它們是恆星的固體樣本,是真正的星塵。”這些星塵被困於隕石中,幾十億年來一直保持不變,因此它們是記錄了太陽系形成之前恆星變化的“時間膠囊”。

但太陽前顆粒非常稀有,並且很難找到,只有5%的墜落於地球的隕石中才存在這種顆粒。它們的顆粒很小,將百個最大的星塵顆粒放在一起才組成一個可見的黑點。菲爾德自然史博物館擁有最大的默奇森隕石塊,由澳洲維多利亞州默奇森市的市民提供給科學界。這塊隕石於1969年墜落在澳洲,其中含有珍貴的太陽前顆粒。而此次研究的太陽前顆粒是從30年前存放在芝加哥大學的默奇森隕石上分離出來的。

“一切從隕石碎片粉碎成粉末開始,”芝加哥大學的研究生,文章的聯合作者Jennika Greer解釋道,“一旦所有的碎片被分離,它們就是一團漿糊,有刺激性味道——聞起來像爛花生醬。”隕石漿糊通過酸溶解後,會只剩下太陽前顆粒。Heck表示,“就像在乾草堆裡找針一樣困難。”

一旦分離出太陽前顆粒,研究人員則要查明它們來自於哪一型別的恆星,年齡有多大。“我們基於太陽前顆粒在宇宙射線(穿過銀河系並穿透固體物質的高能粒子)暴露的程度,獲得它們的年齡資料,”Heck解釋道,“一些宇宙射線與物質相互作用,會形成新元素。這些太陽前顆粒暴露的時間越長,形成的新元素就會越多。”

他補充說道,“我將這比作一個放在暴雨中的水桶。假設降雨量是恆定的,水桶中積聚的水能夠表明它在暴雨中暴露的時間。”通過測量太陽前顆粒中有多少由宇宙射線產生的新元素,我們可以得知太陽前顆粒在宇宙射線下暴露的時長——告訴我們它們的年齡有多大。

基於太陽前顆粒吸收的宇宙射線,研究人員了解到樣本中的一些太陽前顆粒是迄今為止發現最古老的,大多數46到49億歲,有些太陽前顆粒的年齡甚至超過55億歲。需要指出的是,太陽的年齡是46億歲。

但這一研究的終點並非是獲得這些太陽前顆粒的年齡。太陽前顆粒是恆星死去時形成的,它們可以告訴我們恆星的歷史。而在70億年前,明顯有大量新的恆星形成。

“我們擁有比預期更多的太陽前顆粒數量,”Heck說,“我們的假設是這些太陽前顆粒形成於大多數49億到46億年前,在太陽系形成前是一個恆星形成的增長期,當時有更多的恆星形成。”

在科學家中一直存在爭議:新的恆星的形成速率是穩定的,還是隨時間推移形成速率會時快時慢,而這一發現很有說服力證明了後一觀點。“有些人認為,銀河系中恆星形成速率是恆定的,”Heck說,“多虧了這些太陽前顆粒可作為直接證據表明:70億年前,銀河系中存在一段恆星形成的增長期。這是我們研究的關鍵發現之一。”

Heck指出,這並非他的團隊唯一意外發現的事情。除主要研究問題外,在研究太陽前顆粒與宇宙射線相互作用的方式時,研究人員也了解到太陽前顆粒常常漂浮在宇宙中,聚集在一起形成巨大一團。“它們就像聚集在一起的麥片,”Heck說,“之前海沒有人認為這種的顆粒聚集是可能發生的。”

Heck和同事希望這些發現能拓展我們對於銀河系的認識。他說,“通過這一研究,我們已直接確定了星塵的壽命。希望這會被接受並繼續研究,人們可將其作為整個宇宙生命週期模型的初始資訊。”

Heck提示到,有關太陽前顆粒和早期太陽系壽命的問題,仍有很多值得去回答。他說道,“我希望,能有更多的人致力於這方面研究,去更多了解我們的母星系——銀河系。”

“我總是想利用手中的地質樣品研究天文學,”Heck說,“回顧銀河系的歷史是一件令人激動的事。從這些星塵到達地球的最古老物質(星塵)中,我們可以了解我們的母恆星、我們體內碳的來源和呼吸的氧氣來源。利用星塵,我們可以將物質追溯到太陽誕生之前的時間。”而Greer表示,“下一件最棒的事,將是能夠直接從恆星上採集樣品。”

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