比太阳系更古老！陨石中的碳化硅“星尘”揭示恒星爆炸！

在陨石中发现的、比太阳系更古老的碳化硅星尘，与容易喷发或爆炸的衰老恒星对有什么共同之处？亚利桑那州立大学的两位科学家（地球与太空探索学院的宇宙化学家迈特拉伊·博斯和天体物理学家萨姆纳·斯塔菲尔德）合作发现了这种联系，并确定了产生星尘颗粒的恒星爆炸类型。

其研究研究刚刚（2019年3月1日）发表在《天体物理学》上。硅碳化物的微小颗粒（比人类头发的平均宽度小1000倍）是构成太阳和行星系统基础材料的一部分。碳化硅颗粒诞生于新星爆发，这种爆发是由某些类型的白矮星反复剧烈爆发而形成。

博科园-科学科普：碳化硅是陨石中发现最耐用的颗粒之一，与其他元素不同的是，这些星尘颗粒与太阳系诞生之前相比没有任何变化。当一颗恒星突然变亮许多倍时，它就变成了新星。新星以成对的恒星出现，其中一颗恒星是一颗被称为白矮星炽热致密的残余。另一个是一颗很冷的巨星，它的外部大气非常大，将气体输送到白矮星上。当足够的气体聚集在白矮星上时，就会发生热核喷发，这颗恒星就会变成新星。尽管这次爆炸威力巨大，但它并没有摧毁白矮星及其伴星，因此新星可以一次又一次地喷发，不断地将爆炸产生的气体和尘埃颗粒抛向太空。从那里尘埃颗粒与星际气体云团融合成为新恒星系统的组成部分。

碳化硅颗粒是可以从陨石中提取的最耐用颗粒之一，这是四个来自默奇森陨石，人类头发的平均宽度大约是100纳米尺度的1000倍。图片：Amari et al. (1994) Geochimica et Cosmochimica Acta 58, 459-470

太阳和太阳系诞生于46亿年前，就像这样的星际云，由许多不同类型的恒星早期爆炸所产生的尘埃颗粒所孕育而成。几乎所有原始谷物都被用来制造太阳和行星，但只剩下很小的一部分。今天，这些星尘粒，或称前极粒，可以在原始的太阳系物质中被识别出来，如球粒陨石。解开这个谜团的关键是星尘颗粒同位素组成，同位素是原子核中有多余中子的各种化学元素，同位素分析能让我们追踪构成太阳系的原材料。每一颗碳化硅颗粒都带有其母恒星同位素组成的特征。这提供了一颗恒星核合成的探针——它是如何合成元素的。研究人员收集了关于数千种已发表的数据，发现几乎所有颗粒都自然地分为三大类，每一类都可归因于一种或另一种恒星。

但是有大约30颗颗粒无法追溯到某个恒星的起源。在最初的分析中，这些颗粒被标记为可能起源于新星爆炸。作为一名理论天体物理学家，Starrfield使用计算机计算和模拟来研究各种恒星爆炸。这些包括新星、复发性新星、x射线爆发和超新星。与其他天体物理学家合作，正在开发一个计算机模型，以解释2015年发现的新星光谱中喷射出的物质。这让他对新星爆发的细节有了更深入的了解，也让他对这些将新星抛向太空的爆炸有了更深入了解。问题很快就出现了，发现最初解决这个问题的方法既不符合天文观测结果，也不符合她的结果。

绘制星尘颗粒中的碳和氮同位素，根据它们的起源，将它们分成不同的组。新星候选颗粒位于左下方的黄色区域，已证实的新星颗粒位于红色区域，虚线标出了地球平均同位素组成的位置。图片：Bose and Starrfield, ASU

从而转向了经典新星爆炸的多维研究，并提出了一种全新的模型计算方法。新星有两种主要的成分，一个是氧氖类，该研究人员已经研究了20年。另一种是碳氧类我没怎么注意到新星分类来自于它们光谱中的元素。斯塔菲尔德说：碳氧化合物本身爆炸时会产生大量的尘埃，新星爆炸深入到白矮星的碳氧核心，把所有这些增强和富集的元素带到高温地区。这会引发更大的爆炸，真的很乱，它以卷须、薄板、喷流、斑点和团块的形式喷射出尘埃。Starrfield的计算对碳氧新星爆发产生的35种同位素进行了预测，包括碳、氮、硅、硫和铝的同位素。

结果表明，从伴星获得合适比例的白矮星核心物质和吸积物质对于模拟研究是绝对必要的。然后，Bose和Starrfield将预测结果与已发表的碳化硅颗粒成分进行了比较。这使他们得出了一个有点令人吃惊的结论，发现在大约30粒可怜中，只有5粒可能来自novae。虽然这似乎是一个令人失望的结果，但科学家们实际上很高兴。研究表示现在必须解释不是来自新星爆炸的粒子组成。这意味着有一个或多个全新的恒星源有待发现。从更大的角度来看，研究人员还发现，如果我们想了解恒星是如何演化的，就需要天文观测、计算机模拟和对星尘颗粒的高精度实验室测量，而这正是这所学校擅长的跨学科科学。

博科园-科学科普｜研究/来自: 亚利桑那州立大学/Robert Burnham

参考期刊文献:《天体物理学》

DOI: 10.3847/1538-4357

博科园-传递宇宙科学之美