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天文學家可能在太空中找到石墨烯

西班牙卡納利天文研究所(Instituto de Astrofísica de Canarias)Aníbal García-Hernández等天文學家與生化學家,利用史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)進行觀測,首度在銀河系外空間偵測到C70富勒烯(fullerene)分子,此外還可能偵測到C24石墨烯(graphene)分 子,即片狀的單層石墨。經過電腦模擬,這些天文學家認為:行星狀星雲裡的年老恆星所發出的恆星風,衝擊星際介質後就可能形成C60與C70兩種富勒烯,以 及C24石墨烯這些分子。右上圖是藝術家想像這些分子懸浮在著名的螺旋星雲(Helix Nebula)裡;在與太陽類似的這些老恆星周圍偵測到這些碳分子,顯示這類碳分子或沒有任何晶形的碳分子,在太空中可能相當普遍。

和我們太陽類似的恆星,演化到生命末期時,外層大氣逐漸向外擴張而形成行星狀星雲(planetary nebulae,PN)。García-Hernández等人此次研究的行星狀星雲位在大小麥哲倫星系(Magellanic Clouds)中,即我們銀河系最大的2個衛星星系。由於大麥哲倫星系距離約16萬光年,小麥哲倫星系約20萬光年,以天文尺度而言,離我們算是非常近 的,因此仍能從地球觀察到大小麥哲倫星系中的行星狀星雲,只不過看起來像是一個個小而模糊的斑點。但是,我們自己銀河裡的行星狀星雲往往很難確定距離,大 小麥哲倫星系裡的PN距離誤差僅在5%以內,因此用以研究比較,可以得到更正確的恆星光度,且確定這些的確都是PN而非其他天體。

The Large Magellanic Cloud Planetary Nebula SMP48, one of the star systems in the present study. The reason for the name “planetary nebula” is obvious from this image of a planetary nebula, which is much fainter and further away than the first ones seen in our galaxy. Image credit: HST  左圖是García-Hernández等人的其中一個研究目標:大麥哲倫星系裡的SMP 48;他們確認此星雲裡有富勒烯。

富勒烯又稱為巴克球(Buckyball),由碳原子排列組合成像是一個立體球狀的結構,在地球上應用相當廣泛。C70富勒烯分子外型如英式橄欖球,C60富勒烯則類似足球。此次研究中,這兩種分子都有偵測到。

石墨烯是由碳原子排列成僅有一個碳原子厚度的片狀分子,結構強度、導電性、彈性都絕佳,卻又非常薄,是目前已知最薄的物質,因此又被稱為石墨薄膜,廣 泛應用在現今的液晶顯示器等產品中。石墨烯最初是2004年時在實驗室中合成,其發明者—俄羅斯的Andre Geim及Konstantin Novoselove甚至因此獲得2010年的諾貝爾物理獎。如果能經由實驗室光譜確認,這將是首度在太空中找到石墨烯存在的證據;可惜目前的科技水準還 無法進行這樣的光譜驗證。

García-Hernández等人猜測:富勒烯和石墨烯很可能是含氫非晶質碳(hydrogenated amorphous carbon,HAC)顆粒互相碰撞而形成;這種碰撞則最可能發生在行星狀星雲受恆星風衝擊的時候。García-Hernández等人後來從紫外光譜 中看到這類老恆星具有強恆星風的證據。研究團隊成員覺得最驚訝的一點,是這些分子的存在與恆星溫度無關,而是與恆星風衝擊的強度有關。

小麥哲倫星系非常缺乏重元素或稱為金屬元素(metal),即元素週期表中比氫和氦還重的所有其他元素;但這種環境卻偏好演化出富碳的行星狀星雲,因 此非常容易產生複雜的碳分子。目前相關的太空化學研究進展,已經不僅止於發現新分子,而是要進一步瞭解這些分子如何形成與演化,因此García- Hernández等人計畫繼續用大型地面望遠鏡追蹤觀測,以便確認周圍有發現富勒烯的行星狀星雲中還有什麼樣的分子,由此測試恆星周圍的某些物理過程, 甚至或許能找到與生命相關的生物化學關鍵訊息。

資料來源:HAS GRAPHENE BEEN DETECTED IN SPACE? [August 10, 2011]

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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