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宇宙初期塵埃何處來?最新研究顯示:超新星爆發

上圖對SN 1987A超新星遺跡兩張圖片進行比較 - 左側由赫歇爾太空望遠鏡所攝,右側則為左圖圓圈處之局部放大,由美國NASA的哈柏太空望遠鏡所攝。圖片來源:ESA/NASA-JPL/UCL/STScI

宇宙初期塵埃究竟是由誰供應?多年來,不少天文學家致力於解答這道難題。而今天文學家藉由赫歇爾太空望遠鏡發現,一顆超新星吐出了相當於16萬至 23萬顆地球質量的新鮮塵埃。這項發現似乎建議天文學家:「答案,就在這顆超新星(爆炸恆星)裡。」並且也說明了天文學家可以如何運用「光的不同波長」此 一特性,來解決天文學上的重要問題。赫歇爾太空望遠鏡,因為能看見波長更長的遠紅外光,而成為解決初期宇宙塵埃何處來這項奧秘的利器。

宇宙塵由多種元素,如碳、氧、矽、鐵,及其他比氫和氦更重的原子等所組成,這些都不是「大霹靂」製造的,而是後來才形成的,但它卻是組成行星、人體、 恆星形成必要之物。像我們的太陽這樣的恆星,隨著年歲增長,會攪動出斑點狀的灰塵,這些灰塵則孕育出新一代的恆星及其行星。

初期宇宙塵如何產生?類似於煤煙顆粒會凝結在煙囪上的道理,溫暖氣體從恆星向外散逸時,遺留了塵埃。在今天的宇宙中所見到的許多老紅巨星,一向被認為 是塵埃的主要生產源。不過這個想法也有個麻煩:事實上早期宇宙中,缺乏這類恆星的身影。類似太陽這樣的恆星,當時存在的時間還不夠長,並不足以產生像在觀 測中所見的如此大量塵埃 – 但我們的確知道,當時已經有大量的塵埃。數十年以來,天文學家對此謎題一直相當好奇,現在,經由最新的赫歇爾觀測,直接有證據證實:超新星能產生巨大數量 的灰塵。據天文學家推測,當氣體因爆炸、擴展、冷卻後,氣體殘骸凝結成塵埃,而由於初代宇宙超新星數量頗多,所以這個發現對於解釋初期宇宙塵何處來可算是 功勞不小。超新星可能正是宇宙初期時代的塵埃製造機!

我們所生活的這個地球上,幾乎所有物質都是在恆星內部生產製造而成的,本次研究團隊的主要科學家,馬里蘭州巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所 Margaret Meixner 表示:「現在,我們得到一個直接量測的結果證明,超新星如何豐富供應了在太空中形成恆星、行星和生命所需要的,由塵埃所凝結成的元素。」

本研究刊登於2011年7月7日Science期刊,關注焦點是超新星SN1987A爆發殘骸。這顆超新星是位於17萬光年以外的一個恆星爆發後所產 生的殘留物,當這顆超新星在1987年爆發時,甚至從地球上以肉眼即可觀察到此一事件,夜空為之照亮,持續數月後漸告消退。天文學家因為這次事件目睹了這 顆恆星的死亡過程,SN1987A也成為一個被廣為深入研究的天體。哈柏太空望遠鏡最近發現SN1987A在暗淡多年後再次變亮了。

由於赫歇爾望遠鏡能看到波長最長的遠紅外線,所以也看得到非常冷的物體所發射出的極少量的熱,而這種物質,就是塵埃。雖然天文學家起初並未能確定赫歇 爾望遠鏡是否真能觀測的到超新星殘骸,不過赫歇爾巡天計劃巡到了位於「大麥哲倫星雲」中的SN1987A時 – 卻剛好拍到了SN1987A的影像。(大麥哲倫星雲是鄰近於銀河系的一個小星系,名為「大」其實是因為相對於它旁邊,有個比較小的「小麥哲倫星雲」)

科學家自太空中取回這張圖像後,意外的發現了SN1987A竟仍在發亮,藉由亮度可估計塵埃數量多寡,經仔細計算以後得到出乎意料的結果:塵埃數量竟然比天文學家原先認為超新星能夠產生的塵埃數量多了1千倍 – 足夠製造出20萬顆地球這麼大的行星。

這些塵埃的溫度為華氏-429度到- 416度(約攝氏-221度到-213度) – 比冥王星的溫度還低(冥王星溫度約為攝氏-204度。)

來自英國倫敦大學學院(UCL),本篇論文第一作者Mikako Matsuura說明:「藉由赫歇爾太空望遠鏡我們才能在紅外線波段觀測超新星殘骸發出的亮度,這亮度比我們先前所估的高出許多。發現SN1987A含有 大量塵埃對我們而言是個重大進展,因為它對後續進一步瞭解大麥哲倫星雲裡的塵埃,意義非比尋常,不僅能解開『宇宙初期塵埃何處來』的疑惑,同時還能為世人 解答為何大麥哲倫星雲和我們的銀河系是如此的塵埃遍佈。」

先前曾有一些證據顯示超新星能產生塵埃,譬如NASA史匹哲太空望遠鏡(同樣用於觀測紅外線波段,但觀測波長略短於赫歇爾),曾經發現過位於仙后座A 的超新星爆發殘骸,所產出的新鮮塵埃約達地球質量的1萬倍。但相較之下,赫歇爾望遠鏡能看到溫度更低的物質 –正是個超低溫冷凍櫃,儲存塵埃的好地方。本篇論文另一位作者,來自NASA戈達德太空飛行中心的Eli Dwek則表示:「如何證實這些怪獸等級的爆發,確實是強大的塵埃製造者?在SN 1987A周圍發現高達23萬地球質量的塵埃,足以堪稱為最佳證據。」

中研院天文所博士後研究員大塚雅昭所參與的這項研究成果,於2011年7月7日獲Science刊出,完整論文可於此處下載: http://www.sciencemag.org/content/early/2011/07/06/science.1205983.full.pdf (Lauren譯)

本圖顯示SN 1987A超新星殘骸釋放能量。先前,NASA的史匹哲太空望遠鏡曾在它周圍探測出溫暖的塵埃。圖片來源: ESA/NASA-JPL/UCL/STScI
本圖顯示SN 1987A超新星殘骸釋放能量。先前,NASA的史匹哲太空望遠鏡曾在它周圍探測出溫暖的塵埃。圖片來源: ESA/NASA-JPL/UCL/STScI

資料來源:中研院天文網 [2011, 07, 11]

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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