「我们都是星尘。」 120亿光年之外星系中首度探测到一种在我们身

#宇宙奥秘#止观2021-11-07

氟(fluorine)是一种非金属化学元素,化学符号为F,原子序数为9。氟是卤族元素之一,属周期系ⅦA族,在元素周期表中位于第二周...

氟(fluorine)是一种非金属化学元素,化学符号为F,原子序数为9。氟是卤族元素之一,属周期系ⅦA族,在元素周期表中位于第二周期。由于氟的特殊化学性质,氟化学在化学发展史上有重要的地位。

氟是已知元素中非金属性最强的元素,这使得其没有正氧化态。氟的基态原子价电子层结构为2s22p5,且氟具有极小的原子半径,因此具有强烈的得电子倾向,具有强的氧化性,是已知的最强的氧化剂之一。

19世纪初期安培给戴维的信函中指出氢氟酸中存在着一种未知的化学元素,正如盐酸中含有氯元素,并建议把它命名为“Fluor”,词源来自拉丁文及法文, 原意为“流动 (flow, fluere)”之意。

「我们都是星尘。(We are all star stuff.)」

──天文学家萨根(Carl Sagan, 1934 – 1996)

正如萨根所说,我们确实都是星尘组成的。天文学家在距离我们超过120亿光年的星系中,首度探测到一种在我们身体内也能发现的元素──氟,人体骨骼和牙齿都有氟化物的存在。

这份研究4日刊登在期刊《自然天文学》(Nature Astronomy),主要作者、英国赫特福夏大学(University of Hertfordshire)天体物理学研究员法兰科(Maximilien Franco)在声明中解释这项发现的意义:「我们都知道氟是什么,因为我们每天使用的牙膏含有氟化物,但我们原来根本不知道哪些恒星产生了宇宙裡大部分的氟!」

另一位共同作者、赫特福夏大学的吉齐(James Geach)在澳洲独立媒体「对话」(The Conversation)撰文指出,「一般人可能不会去深究牙膏内含的元素,但就像地球上所有事物一样,从雄伟到平凡,氟化物──以及微笑的故事─也有宇宙起源。现在,我和我的同事在《自然天文学》上发表了一篇论文,对此稍微有所解释。」

大霹雳(Big Bang)与宇宙演化(Wikipedia / Public Domain)

在太阳系、地球甚至我们身体中发现的自然元素,都是起源于恒星核心,在其爆炸的过程中被释放出来。吉齐解释,宇宙历史上,几乎所有元素都是很久很久以前形成的,氢是最古老的元素,在大约140亿年前的宇宙大爆炸不久后出现,大爆炸的几分钟内,氦、氘和锂等轻元素也在这个「太初核合成」的过程中形成,「从那时起,几乎所有其他元素都在恒星生死过程中产生。」

但氟是如何在恒星的一生中形成?始终是谜团。

直到,研究人员使用智利的进无线电望远镜「阿塔卡玛大型毫米波天线阵列」(The Atacama Large Millimetre Array, ALMA),这款全球最先进的观测工具,能使研究者看见遥远星系的冰冷尘埃和气体散发出的光。终于,他们在一个位在120亿光年外、名为「NGP-190387」的恒星初形成星系中探测到氟。

所有生命与非生命的诞生,都源于恒星和它周围一切的毁灭。(图片取自pixabay)

所有生命与非生命的诞生,都源于恒星和它周围一切的毁灭。(图片取自pixabay)

氟的宇宙起源

研究人员发现,「NGP-190387」星系中存在「氟化氢」气体云,其微弱的光芒历经了120亿年的时间才到达地球这裡,天文学家认为这个星系的状态「呈现了宇宙只有大约14亿岁时的样子」。

吉齐指出,学界原先认为氟产生的方式包含:透过恒星演化接近末期时经历的剧烈爆炸──超新星(Supernova),或藉由亮红色的渐近巨星支星(AGB)在接近生命尽头时,燃烧核心内大部分的氢和氦。

但这两种过程中形成的氟浓度远低于「NGP-190387」星系,让天文学家不禁疑惑,还有尚未发掘的方式可以形成氟。研究人员认为,沃夫-瑞叶星(Wolf-Rayet star)可能是唯一的解释方法,因为他们发现在该星系中释放出氟的恒星「很年轻就死了」,这表明它们可能是沃夫-瑞叶星。

沃夫-瑞叶星在宇宙中非常罕见,浩瀚无垠的银河系裡只有几百颗被编入目录。一亿颗恒星中只有一颗的质量足以成为沃夫-瑞叶,此类星体的本体是一颗质量非常巨大的恒星,大约是太阳的十倍以上,它在演化末期完全失去外层的氢,就会被称为沃夫-瑞叶,它的消亡阶段持续几十万年,在恒星漫长的一生中,那相当短暂。

此前研究人员认为沃夫-瑞叶可能是氟的来源,但这次直接探测证实了这一点。法兰科解释说:「我们已经证明,沃夫-瑞叶是已知质量最大的恒星之一,它们在生命结束时会剧烈爆炸,在某种程度上帮助我们保持良好的牙齿健康。」

「这项工作为探究120 亿多年前的天体物理学提供了新的详细见解」,吉齐说,天文学界对恒星初形成时引爆的化学反应知之甚少,但这很重要,因为恒星产生的元素会像氟一样,抛散到整个星系甚至更远的地方,许多年后,其中一些元素甚至组成了像地球这样的「年轻」行星,但也许这份研究的另一项主要收穫是「表明打造你完美微笑的是与时间一样古老的故事。」

相关话题

#自然界 #宇宙

用手机扫码体验更多功能

扫码参与评论与作者和更多用户交互