宇宙尘埃哪里来
时间：2021-01-09 08:02:53 来源：达达文档网 本文已影响 人 
石无鱼
宇宙何处惹尘埃？
只要一段时间不擦拭，桌上、地上、窗台上就布满了灰尘。这些无孔不入的脏东西到底是从哪儿来的？
“这还不明白？当然是空气从土里带来的了。”你或许会这样回答。倘若局限于地球范围，这么回答诚然是不错的。但是，倘若要从整个宇宙范围来回答这个问题呢？因为要知道，像我们地球这样的岩石质行星，其前身就是一大团的尘埃云——岩石是尘埃凝聚熔化之后形成的——那么，在那个时候，这些尘埃又是从哪里来的呢？
这一问，就问到天文学家的要害处了。
如今在宇宙空间，也弥漫着大量的尘埃。这些尘埃主要是由无定形碳（没有特定形状的碳）、碳酸盐和硅酸盐组成的固体小颗粒，尺寸只有1微米的几分之一，仅相当于抽烟时那袅袅上升的烟雾颗粒般大小。假如没有这些尘埃，人类的空间望远镜在太空中就能看见更多的星星。
但宇宙尘埃对于形成我们今天所看到的宇宙又确乎少不得。假如没有它们，那么：首先，恒星就无法形成。因为宇宙尘埃的存在，阻挡或减轻了许多高能辐射，有助于恒星的前身——星际气体云的冷却凝聚成恒星；
其次，假如真像有的科学家所认为的，地球上的生命种子来自太空，那么没有宇宙尘埃，地球上也就不会出现生命，因为有机小分子遇到尘埃颗粒，粘附在上面，有利于复杂大分子的形成，这比让小分子盲目地瞎碰瞎撞去形成大分子要强多了。
所以，宇宙尘埃是建造宇宙天体的起点。事实上我们这些地球生命，且撇开生命起源问题不提，单组成我们身体的元素，大部分最终也来自宇宙尘埃。
但宇宙在诞生之初本没有尘埃，因为在大爆炸后的早期，只有氢、氦和少量的锂，像碳、硅这类比较重的元素那时连影子都还没有。这些尘埃是后来才制造出来的。
那么，是谁在宇宙中“扬起了这么大的灰尘”？
第一嫌疑犯：红巨星
在不久之前，我们还自以为对这个问题已经了然于胸了呢。天文学家信誓旦旦地认为，老年恒星在它们演化的后期就成了制造宇宙尘埃的天然“大烟囱”。
按照天文学家的描述，一颗恒星在演化过程中，其内部会通过核反应合成越来越重的元素，由于其核心温度越来越高，到了晚年，它将膨胀成一颗红巨星，尺寸比原先大上百万倍。譬如，一旦我们的太阳也膨胀成一颗红巨星，那么它将吞噬掉水星、金星，甚至还有地球。红巨星膨胀之后，其稀薄的外层温度迅速降低，在那里，从内部喷出来的炎热气态物质冷凝成固态小颗粒，就像煤烟在烟囱里凝结一样。这时它就成了制造尘埃的“大烟囱”。
在银河系，这幅图景与观测事实很相符。我们在银河系所观测到的尘埃数量，与我们预计在银河系100亿年的历史上形成和死亡的红巨星数量刚好匹配。
但在单个星系上成立并非就能保证在整个宇宙范围也成立。事情的转折点发生在1990年代，那时由于高性能望远镜刚刚建成，天文学家能够观测到遥远星系上的尘埃。这些星系非常古老（因为星系发出的光传播到地球上是需要时间的，离我们越远，发出的时间就越早，所以我们看到的星系就越古老。譬如一个星系如果离我们10亿光年，那么它的光是10亿年之前发出的，我们现在看到的就是该星系10亿年之前的样子），离宇宙诞生才数亿年时间。但恒星演化到红巨星阶段至少需要10亿年，而这些星系形成连10亿年都还不到，所以按理说它们是非常“干净”，没有尘埃的。可事实上，这些星系却弥漫着尘埃。典型的例子是代号为J1148+5251的一个星系，尽管它的年龄不到9亿年，但它所拥有的尘埃数量是银河系的10多倍。
宇宙在过去比现在尘埃还多！这么说，在那些遥远的古老星系里，一定有除红巨星之外别的什么东西在制造尘埃，并且比红巨星还干得出色。
那么它会是谁呢？
第二嫌疑犯：超新星
天文观测又为我们提供了一个“嫌疑犯”：超新星。
超新星是大质量恒星坍缩成白矮星、中子星或者黑洞之前的最后一次“回光返照”。超新星爆发时，通过剧烈的核爆炸，会把自己的外层剥个精光，只剩下小小的内核。而在它抛撒出来的物质中，就含有丰富的碳、氮、氧等比较重的元素。
一般来说，只有大于8倍太阳质量的恒星才会在后期演化为超新星。这些恒星因为质量大，燃烧就比小质量恒星更为剧烈，所以寿命也较短，从诞生到变成一颗超新星，用不了10亿年。而在宇宙的早期，由于那时氢氦元素十分丰富，形成的恒星个头都很大，质量动辄是太阳的十几倍，这些恒星大多数以超新星爆发的形式了此残生，所以它们自然就成了制造宇宙尘埃的“大烟囱”。这样，我们似乎就解释了早期宇宙为什么也弥漫着尘埃的问题。
但是且慢，这里还有个问题：超新星在爆炸中会制造尘埃，这固然没错，但“成也萧何，败也萧何”，爆炸产生的冲击波又会把尘埃颗粒激荡得粉碎，就好比现在医院里用超声波来击碎胆结石一样。超新星产生的冲击波比超声波强上百万倍，而且还会在超新星爆发的附近空间振荡上百年，有足够的能量和时间把许多刚形成的尘埃颗粒击得粉碎，重新回到单个原子的状态。这样一来，很多尘埃不可避免要化为乌有了。
当然，也会有少量的尘埃躲过一劫，现在的问题是，这部分幸存下来的尘埃比例有多大？能幸存下来的宇宙尘埃能否与观测事实相符？
严重不符！26年前，在银河系的邻居星系——大麦哲伦星云中爆发了一颗超新星，被天文学家命名为SN1987A。SN1987A是自人类发明望远镜以来，爆发时间上离我们最近的一颗超新星。天文学家经过观测，发现这颗超新星爆发产生的宇宙尘埃实际质量是理论预言的4到7倍——这么多尘埃足够制造20多万个地球了。一次超新星爆发就能产生如此多的尘埃，相比之下，红巨星制造的尘埃甚至都可以忽略不计。由此可以得出这样的结论：几乎所有的宇宙尘埃很可能都来自超新星爆发。
宇宙尘埃何时落定？
但丹麦天文学家马特森对此结果表示怀疑，在他看来，超新星制造的尘埃似乎多了点。他认为，既然超新星爆发产生的冲击波会在爆发位置附近来回激荡上百年，而超新星SN1987A的爆发离我们才短短26年，所以现在就下结论似乎为时尚早。事实上，300多年前在银河系爆发的一颗超新星，它所产生并幸存下来的尘埃量就少得多，且与理论预言大体相当。
这个质疑听起来也很合理。这样一来，由于在非常早期的宇宙中红巨星不存在，而超新星爆炸产生的冲击波又会把自己制造的大部分尘埃加以摧毁，如此我们又回到了问题的起点：遥远星系中的这些大量的尘埃究竟来自何处？
美国普利斯顿大学的布鲁斯·德瑞尼提供了第三种可能的解释：现在组成尘埃的元素还是由红巨星或者超新星制造的，但这些材料凝结成尘埃颗粒，却是后来的事。
按他的看法，事情是这样：超新星产生的冲击波横扫整个星系，不仅摧毁了超新星自己制造的几乎所有尘埃，还摧毁了由红巨星制造的尘埃。但在星际空间，由氢气和氦气分子组成的密度稍大的“分子云”却能减缓冲击波，由此为少量尘埃提供了一个“避难所”，以躲过冲击波的破坏，在那里，尘埃慢慢凝聚成小颗粒。最初以少量幸存下来的微小颗粒（或来自超新星，或来自红巨星）作为凝结核，那些被冲击波击碎的尘埃，以原子的形式不断吸附上去，于是尘埃逐渐变成现在这般大小。
这个解释可靠吗？要回答这个问题，需要实际捕捉和分析一些宇宙尘埃才能回答。因为在超新星的“核熔炉”中产生的尘埃与红巨星产生的尘埃，其成分是有区别的。另外，尘埃颗粒的致密程度应该还可以告诉我们它形成所花的时间，以及分子云在它形成的过程中所扮演的角色。所以需要捕捉一些宇宙尘埃才行。你或许会问“用我们身边的这些灰尘分析不行吗？它们在本质上不也是宇宙尘埃？”不行！因为这些灰尘在地球上经过数十亿年的地壳运动，其成分已经发生了很大的变化，我们无从得知它们最初是什么样子的。
虽然，不论红巨星还是超新星都远在人类飞行器能抵达的范围之外，但要捕捉宇宙尘埃其实并不难。太阳系在绕银河系中心运动，我们始终在不断地与宇宙尘埃相撞。我们只要派个飞行器，到太空收集一些来就是了。
的确，欧洲宇航局于1999年已派出“星尘”号飞行器，2006年它把收集的尘埃样品用降落伞送回了地球。因为它曾与两颗彗星的彗尾相遇，所以收集的大部分尘埃来自彗星，一部分则来自飞行器自己脱落的粉尘，但还有一小部分尘埃颗粒，已鉴别出来自太阳系外——只有这部分尘埃才是真正意义上的“宇宙尘埃”。分析结果可能今年能够出来。到时候，宇宙尘埃来自何处这个问题也许就可以“尘埃落定”了。
超级链接：我们如何观测宇宙尘埃
宇宙尘埃一般是很难被观测到的，但不论何时，当一个可见光的光子与尘埃颗粒碰撞的时候，光子的能量就会被尘埃吸收，从而把尘埃颗粒加热。尘埃被加热后，它又会把一部分热量以红外光的形式辐射出来，辐射的红外光可以被红外天文望远镜探测到。
因为红外光很容易被地球大气吸收，所以为了避免干扰，红外天文望远镜一般要发射到太空。拥有直径3.5米接收镜的赫歇耳望远镜是迄今发射的最大红外望远镜，是接收来自宇宙尘埃信号的理想仪器。
（杜启荣摘自《大科技·科学之谜》2013年第5期）
■责编：徐艳兰
