科学家首次获得7颗星际尘埃微粒,其实我们都如

9778818威尼斯官网 1“星尘号”探测器带回地球的,不只有彗星尘埃颗粒,还可能有来自太阳系外的星际尘埃微粒。图片来源:维基百科

科学家首次获得7颗星际尘埃微粒 对于研究太阳系起源具有重要意义

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南极内陆冰盖首次发现彗星尘埃

据英国《独立报》6月12日报道,美国科学家在彗星的尘埃颗粒中,发现了太阳系诞生伊始留下的碎片。研究人员称,这些“异域颗粒”提供了有关行星和恒星组成的关键信息。

对美国航空航天局“星尘号”探测器采集回来的部分宇宙尘埃样本所做的初步分析表明,这些细微的颗粒有可能起源于太阳系外,它们的成分和结构之复杂都超出了此前的预料。这项研究发表在8月15日出版的《科学》杂志上,开启了一扇研究太阳系起源甚至生命本身起源的大门。

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图片发自联盟者工作

据法国国家科研中心网站报道,法国与意大利科学家在南极内陆冰盖冰穹C地区发现了外星微粒,这些保存完好、由含有有机物质的矿物质组成的外星微粒可能来自于外太空的彗星。这是科学家首次在南极中部雪原发现彗星尘埃,相关样品和检测报告已经得到法国核子与质子光谱仪研究中心的确认。

太阳系诞生于大量的星际尘埃和气体中。天文观测显示,这种尘埃很可能主要由硅酸盐、碳和冰组成。来自太阳系诞生之初的真实尘埃颗粒,能提供有关太阳系如何形成的信息,但绝大多数潜在样本并没有那么“幸运”,会被形成行星的暴烈天文过程改变甚至破坏殆尽。

“从根本上说,太阳系和太阳系内的一切都源自于一团星际气体和尘埃云,”论文的第一作者、美国加利福尼亚大学伯克利分校空间科学实验室的物理学家安德鲁·韦斯特法尔(Andrew Westphal)说,“我们正在研究的物质,就非常类似于当初形成我们太阳系的物质。”

科学家首次获得7颗星际尘埃微粒。

“活着是一场奇迹。”当一个小女孩问关于死亡的问题时,她的父亲这样回答道。

9778818威尼斯官网,法国和意大利联合建立的南极冰穹C研究站,位于南极洲中部地区,这也是地球上最为偏僻的地区之一。法国极地研究所的保罗-埃米尔维克多和意大利同行就是在研究基地车站附近4米深的雪层下发现这些来自外太空的微粒的。

科学家此前曾在原始太空岩石中发现了一些这样的“星尘颗粒”,但它们太罕见了,这意味着大多数科学家都只能依靠天文观测和实验,来厘清地球及其周围行星的组成成分。

韦斯特法尔及其61位合作者,发现并分析了总共7颗可能的星际尘埃微粒,并且发表了他们的初步研究结果。所有这些分析都是非破坏性的,意味着它保存了这些微粒结构和化学性质的完整。韦斯特法尔表示,尽管这些样本据推测应该来自于太阳系以外,但后续还必须进行更多的检验才有可能确定它们的起源,而那些检验最终会破坏其中一部分微粒。

本报讯 经过长达数年的大量工作,研究人员终于从返回地球的星尘号探测器中采集到7颗星际尘埃微粒。科学家在上周于美国得克萨斯州林地市召开的月球与行星科学大会上报告说,尽管整个样本的重量只有几百万兆分之一克,但这却是科学家第一次将自己的手放在自太阳系形成后便从未改变的原始物质上。研究人员表示,这一发现对于研究太阳系的起源具有重要意义。

这位父亲是卡尔·萨根,曾任美国康奈尔大学行星研究中心主任,被称为“大众天文学家”和“公众科学家”。他还有句名言:“我们都是星尘。”

该研究小组已确定,所发现的外星微粒为含碳量在50%到80%之间的微流星体颗粒,直径约0.1毫米,这些微粒是无与伦比的外星物质。利用透射电子显微镜对其进行的观察表明,这些由矿物质组成的微小陨石中含有有机成分。离子探针分析显示,它的氢同位素氘的含量异常高(约10倍于地球海洋微粒)。所有证据表明,这些微粒最有可能来自太阳系之外最遥远的彗星。

夏威夷大学马诺阿分校的石井博士和同事认为,彗星等小天体可以躲过行星形成的暴烈过程。而且,在彗星经过太阳附近时,会释放出可进入地球轨道并“落户”于地球的尘埃,科学家可收集到这些尘埃并进行分析。

“尽管已经完成了这么多项分析研究,我们其实已经在刻意限制所用的分析手段了,”韦斯特法尔解释说,“这些微料都太珍贵了。我们必须要非常慎重地思考我们要拿每一颗微粒做些什么。”

于1999年发射升空的星尘号探测器已经完成了其主要的使命:采集“维尔特二号”彗星彗尾的尘埃微粒,并在星尘号于2006年经过地球时,通过发射一枚再入舱,从而将这些样本送回地球。

星尘可不只是一个充满诗意的词语,它们非常微小,半径小于0.1微米。它们如帷幕般隔开我们与星体,吸收着特定波长的辐射,制造着奇妙的景观,是人类通往宇宙起源与演化奥秘真相的一扇门。

彗星是由冰冻物质和尘埃组成的混合物。有些彗星偶尔会闯入太阳系内部,当它们靠近太阳时,来自太阳的热量导致组成彗星的冰冻物质大规模升华形成气体云。一些彗星尘埃颗粒会落入地球的大气层,而更多的尘埃则不知所踪。

最新得到的岩石颗粒的宽度仅为人头发丝宽度的百分之一,研究人员使用电子显微镜对其进行了观察。他们发现,当暴露于相对温和的加热环境时,有多种碳会分解。这就表明,这些颗粒不可能在太阳的诞生地——炎热的内太阳星云中形成,而是在远离太阳出生地的寒冷遥远且充满辐射的环境中形成。

2000年到2002年间,“星尘号”探测器在前往它的探测目标——怀尔德2号彗星的途中,曾将特制的样品采集器暴露来自我们太阳系外的尘埃流之中。“星尘号”任务的目标,便是捕捉来自这颗彗星的彗发的尘埃,以及来自星际尘埃流的微粒。当两项任务都完成之后,“星尘号”将它的样品舱送回了地球,最终在2006年1月15日着陆在了美国盐湖城以西约130千米的犹他州测试训练场。近年来,对彗星尘埃样本的分析已经全面发表,这项任务的彗星部分可以说已经大获成功了。

美国宇航局最初认为,彗星可能是形成太阳系的原始冰体与岩石(它们都是恒星诞生和死亡后的产物)的“储藏室”。但科学家后来发现,星尘号探测器想要采集的彗星尘埃中的矿物质并不原始——它们曾被加热、融化,并在早期太阳的附近完全转化,进而向外运行成为彗星的一部分,进入太阳系最遥远行星之外的极寒空间。

最近,天文学家给这扇“门”拍了“写真”,还用上了潮爆全球的3D技术。

迄今为止,只有美国宇航局曾经发射“星尘”号探测器将彗星尘埃样本带回过地球,并从矿物学和地球化学的角度来分析彗星颗粒。而研究小组对此次发现的彗星微粒的分析结果与美国的分析数据十分相似。从这些保存极其完好的彗星微粒的矿物质和有机物质组成中可以判断,该彗星是在木星轨道中穿行时发生升华的。它们的化学和同位素组成,将有助于科学家们进一步了解彗星物质的物理组成和化学反应过程。

石井说:“这些外来颗粒代表了保存至今的太阳形成前的星际尘埃,这些星际尘埃形成了行星和恒星的基石。获得这些46亿年前行星形成时的真实材料,使我们可以更深入地了解行星从那时起的形成和变化过程。”

此次发表的研究,则是科学家首次对前往彗星途中采集的微粒所做的分析。两种类型的尘埃微粒都是由“星尘号”探测器上类似网球拍形状的样本采集盘采集的。这些采集盘由被称为气凝胶的超轻材料构成,每一小块气凝胶嵌板之间则用铝箔区隔。3颗太空尘埃颗粒(仅有彗星尘埃大小的十分之一),不是被卡在气凝胶中,就是直接在其中气化了,而另外4颗微粒则在铝箔上砸出了凹痕,剩下的边缘残留物元素构成与星际尘埃颗粒的描述相符。

这让搜寻原始恒星物质的星尘号探测器不得不作出新的选择——在星际空间中采集尘埃流。在2000年和2002年的200天中,星尘号利用其网球拍一样的集尘器面板捕捉了太阳系中的星际尘埃。随着样品面板被送回地球,研究人员面临的问题迅速变成了寻找嵌入面板气凝胶中的任何采集到的微粒。然而星尘号项目组成员、加利福尼亚大学伯克利分校的Andrew Westphal表示,“我们真的不知道要怎样发现”这些嵌入的微粒。由于“绝望”,星尘号研究团队先后邀请了30714名公众参与这项工作。他们检查对气溶胶拍摄的显微图像,并使用世界上最好的模式识别系统——人眼及大脑——选择高速粒子在气溶胶中留下的痕迹。

据《新科学家》杂志网站7月13日报道,这幅银河系星际尘埃三维图由8亿颗恒星的数据构成,是同类图像中规模最大的一幅,覆盖了3/4的天空。从某种意义上来说,它也算得上是银河系的“自拍照”。

法国国家科研中心网站相关报道

研究结果发表于最新一期的《美国国家科学院院刊》。研究小组计划接下来采集更多彗星尘埃样品,特别是那些在通过地球大气层时保存良好的样品,以揭示更多有关太阳和地球等行星形成和演化的奥秘。

这些微粒的大小甚至还不到地球上一颗沙粒大小的千分之一,对如此细小的尘埃颗粒进行操作和分析,有赖于专门为此而开发出来的新颖方法和技术。另有12篇介绍这些方法的论文将在未来一周内陆续发表在《陨石学与行星科学》(Meteoritics & Planetary Science)杂志上。

在1亿次的搜索后,星尘号团队成员在集尘器上发现了7个“可能的”尘埃碰撞痕迹。其中有2个尘埃的重量分别为300万兆分之一克,也就是说1000亿颗这样的微粒相当于一粒糖的重量。这些微粒以不到18000公里的时速撞击样品面板的气溶胶,并附着在那里。而第三颗微粒的速度是如此之快,以至于并没有发现任何化学残渣,而仅仅留下了痕迹。还有4颗微粒无心插柳般轰击了气凝胶边缘的铝箔,并在它们的“陨石坑”中留下了可供测量的物质。

这可不是啥镜头都能搞定的,天文学家直接用上了位于夏威夷的全景巡天望远镜和快速反应系统(Pan-STARRS)。被拍摄对象也不需嘟嘴鼓腮仰角45度,而是大大方方正对镜头。放眼望去,浩渺银河中的尘埃,有着彩虹一般的渐变色彩。“外行”看见这景象觉得美丽非凡,“内行”却深知这美丽大有用处。

日澳研究人员观测到从南极流向赤道的洋流

9778818威尼斯官网 4这项研究的第一作者韦斯特法尔介绍说,“星尘号”气凝胶采集器中发现的最大一颗星际尘埃微粒留下了一条长达35微米的孔洞。这个孔洞是由一粒3皮克(10-12克)的尘埃微粒撞击而成的,微粒本身因为速度太快而直接气化了。另外两颗疑似星际尘埃颗粒速度较慢,被完好无损地滞留在了气凝胶中。图片来源:加利福尼亚大学伯克利分校。

并未参与该项研究的得克萨斯州休斯敦市NASA宇航局航天中心的宇宙化学家Scott Messenger表示:“星尘号团队走到这一步,是一项巨大的成就。”他同意Westphal的观点,认为这些是“迄今为止最具有挑战性的地外样本”。为了确保这些微粒确实为星际尘埃,研究人员下一步必须对这些气溶胶中极小的尘埃斑点进行深入的分析,特别是它们的同位素构成。这项技术“很无聊但却是必要的”。Westphal说,“你很容易就会失去它们”。

通过分析银河系中星际尘埃的分布状况,天文学家能更加准确地拼凑出银河系的结构,了解其旋臂形成的原理。恒星棒是否贯穿了整个星系?银河系圆盘有多厚?也许都能在这张“自拍照”中找到答案。

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这项研究的第一步,是要在气凝胶中找到这些微粒。通过将相机对焦到不同深度,这些气凝胶嵌板实际上被拍摄成了无数细小的“切片”,由此得到了上百万张照片,最终被编辑在一起制成了无数段视频。通过一项名为Stardust@home的众包科学项目,来自世界各地的志愿者仔细审视这些视频,从中标示出他们认为可能由星际尘埃穿过而产生的轨迹。目前,他们已经发现了100多条轨迹,但并非所有轨迹都已经得到分析。此外,在132块气凝胶嵌板中,只有77块被扫描成了“切片”。不过,韦斯特法尔估计,其中能够找到的星际尘埃微料最多不过十几颗。

星尘号探测器于1999年2月发射升空。2004年1月,该飞船近距离飞过“维尔特二号”彗星时,飞船上的尘埃采集器成功捕获到彗星物质粒子。2006年1月15日,装有彗星尘埃样本的返回舱首先与星尘号探测器的母船分离,随后进入地球大气层,并在降落伞的帮助下在美国犹他州的沙漠中降落。这是人类发射的探测器首次将彗星样本带回地球。科学家当时称,星尘号带回了大量彗星尘埃样本。这些样本十分微小,直径比一根头发丝还细,因此只能在显微镜下进行研究。NASA的专家们随后把集尘器的数码显微照片提供给网络志愿者,让他们来共同寻找这些星际尘埃。

根据目前的科学理论,发生在130亿年前的大爆炸产生了氢、氦、痕量的锂和铍等轻元素。随后在燃烧的恒星核心上和核心内,又形成了构成我们世界的一些较重的元素。这些元素正是搭上星际尘埃的“顺风车”,才最终来到地球这颗蔚蓝色的小小星球。

南极冰下近200米深处发现虾状生物

韦斯特法尔说:“在此之前,我们对星际尘埃所知的几乎一切,都来源于天文观测——不是地面望远镜的观测,就是空间望远镜的观测。”但是望远镜没有办法告诉你星际尘埃会有多么花样百出。“对‘星尘号’捕获的这些颗粒所作的分析,首次向我们展示了星际尘埃的复杂性,让我们吃惊的是,每一颗微粒彼此之间都极为不同。”

《中国科学报》 (2014-03-25 第2版 国际)

所以,天文学家还指望通过这张三维“自拍照”了解恒星的诞生情况。

南极冰川流淌大量红色液体堪称血瀑布

这些科学家在气凝胶中发现的两颗较大的尘埃颗粒具有某种蓬松的成分,就好像雪花一样。有关星际尘埃颗粒的模型指出,星际尘埃应该是单片致密的微粒才对,因此蓬松的微粒完全出乎了这些科学家的预料。这两颗微粒中还含有被称为橄榄石的结晶物质,由镁、铁和硅构成,表明这两颗微粒来自于其他恒星的尘埃盘,并且受到过星际介质的改造。

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“星星出生”的过程简直“萌翻了”。恒星周围形成的气泡会向太空“吹出”粒子风,将附近的气体和尘埃“挤入”一个空心球中,并在外壳形成更致密的材料,一颗新的恒星由此诞生。此次的星尘图像“清楚地揭示了围绕在猎户座A和猎户座B周围的气泡形状”。负责绘制工作的哈佛大学研究人员格雷戈里·格林激动地举例道。

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在铝箔中发现的4颗微粒中,有3颗也相当复杂,含有硫化物,这是天文学家认为应该在星际尘埃颗粒中出现的东西。对更多嵌入铝箔的微粒进行分析,或许有助于解释这一矛盾。

既然星际尘埃这么有用,远观当然不能满足科学家们内心饱胀的渴望。他们甚至很早就开始了“狩猎”计划,意图捕捉星尘。

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韦斯特法尔说,他们的团队会继续寻找更多轨迹,并且会对已有的微粒进行下一步分析。“最首要的目标是要测量三种稳定氧同位素的相对含量。”这种同位素分析有助于确认这些尘埃源自太阳系外,但分析过程会破坏珍贵的样品。与此同时,韦斯特法尔说,他们团队正在人造的尘埃颗粒上熟悉同位素分析技术的操作。“我们必须要非常小心,”他说,“我们在仿制品上做了大量的工作,练习,练习,再练习。”(编辑:Steed)

科学家首次获得7颗星际尘埃微粒,其实我们都如星辰般存在。因为星际尘埃在恒星核心形成并被抛入太空后,依然携带着“星生儿”的出生信息,特定元素的同位素比例会有些许不同。天文学家们便认为,去太空“抓”一些真正的星际尘埃很有必要。

编译自:伯克利实验室官网,Mysteries of Space Dust Revealed

十多年前,美国宇航局派出“星尘号”探测器,它的任务是在探测怀尔德2号彗星的途中顺便捕捉来自彗发的尘埃,以及星际尘埃的微粒。2014年8月,科学家们在《科学》杂志上发表对这些星际尘埃的研究成果。通过这些“原始无偏见”的样品,人们可以了解我们的太阳系同银河系中其他恒星系统是否有元素差异以及相差多少。

“让我们吃惊的是,每一颗微粒彼此之间都极为不同。”研究者之一韦斯特法尔说。这些微粒实在是太珍贵了,天文学家们不敢贸然行动。为了追溯这些“天外来客”的来源,韦斯特法尔团队正在人造的尘埃颗粒上熟悉同位素分析技术的操作。“我们必须非常小心。”他说,“我们在仿制品上练习,练习,再练习!”

我们是谁?来自何处,又将去往何方?也许绚烂的星尘3D图和“星尘号”带回的珍宝并不能回答这些永恒的问题,但是它们引导人类在探索之路上迈出了一步又一步。

多年前的某一天,卡尔·萨根向年幼的女儿解释关于死亡的问题。“这一刻,你活着。这是一件了不起的事。”他说,“你生活在这个星球上,呼吸着空气,喝着水,享受着最近的那颗恒星的温暖。你的DNA世代相传——回溯到更久远的时空,从宇宙的尺度来说,你身体里的每一个细胞、组成这些细胞的所有元素,都诞生于一颗恒星的熔炉中。”

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