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年輕恆星劇烈的早期歷史破解隕石怪異元素來源之謎

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法國格勒諾布爾行星與天文物理研究所(Institute de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble)天文學家Cecilia Ceccarelli等人,利用歐洲太空總署(ESA)的赫歇爾太空望遠鏡(Herschel space observatory)探索一顆類太陽恆星混亂的初期歷史,結果發現證據證明有個關於隕石的謎題,或許與強力太陽風有關。

縱然夜觀星空,看來寧靜祥和,但其實每顆恆星的誕生都得經過一段混亂的過程,包括45億年前的太陽也一樣。為了瞭解這段混亂的歷史,天文學家不僅從我們自己的太陽系中尋找證據,也透過銀河系其他年輕恆星來研究。

利用赫歇爾太空望遠鏡觀測觀測恆星形成區的化學組成,Ceccarelli等人發現其中有個編號為OMC2 FIR4的恆星搖籃顯得和其他恆星形成區特別不同。OMC2 FIR4鄰近著名的獵戶座星雲(Orion Nebula),距離地球約1500光年,這個由氣體塵埃聚集的恆星搖籃中埋藏著一堆新生恆星。右圖是赫歇爾太空望遠鏡拍攝的獵戶座A星雲(Orion A);紅圈標示處即為OMC2 FIR4。

Ceccarelli等人發現OMC2 FIR4中新生恆星周圍1AU範圍內雲繭的碳氧化合物HCO+, 相對於另一種氮化合物N2H+的比例,比其他所有已知的原恆星(protostar)還小很多。

在極冷環境中所測得的這兩種化合物的比例會上升,這是因為其中一種化合物凍結在塵粒上而無法偵測之故。然而,在溫度相對較「高」的環境中,例如OMC2 FIR4這類恆星形成區的溫度約在攝氏零下200度的環境中,前述狀況則不會發生。在這種環境中最可能的原因就是劇烈恆星風,這是由至少一顆以上的初生恆星向外釋放的極高能粒子流,而將這些新生恆星包覆在內的氣體塵埃雲繭,則會受到劇烈恆星風影響而改變形狀。

恆星形成區中含量最豐富的分子就是氫,但氫分子會受到宇宙線這種可穿行整個銀河系的高能粒子影響而解離成氫離子;而這些星雲在現階段已經形成少量的碳、氧和氮等元素,儘管含量不多,但氫離子會與這些已經出現的元素結合形成化合物。

氮化合物通常很快就會被摧毀,釋出其中的氫後轉而與碳和氧產生更多的碳氧化合物。如此一來,在所有已知的恆星形成區中,碳氧化合物的含量都遠較氮化合物多很多。但奇怪的是,OMC2 FIR4卻並不是這樣,顯然是有額外的高能粒子流同時摧毀這兩種化合物,讓它們的含量豐度相差無幾。天文學家推測:或許在太陽系早期,也同樣散發過如此劇烈的太陽風;若果為真,那麼或許可以由此解釋隕石中某個特別元素的來源。

隕石是行星際空間中塵埃碎屑墜入行星大氣過程中,沒有燃燒掉的殘渣。這些宇宙遊子是我們能直接探索太陽系含有何種元素的工具之一。根據隕石含有的元素分析結果,似乎在很久以前,這些石頭含有鈹元素的同位素—鈹-10( beryllium-10,Be-10,10Be)。這讓天文學家很困惑,因為無法解釋遠在行星際空間中的這些石頭怎麼會有鈹-10同位素。

鈹原子序為4,換言之,它是宇宙中第4輕的元素,僅次於氫、氦和鋰。鈹-10是鈹元素現今已知的8種同位素之一,按現行恆星演化理論,它無法經由恆星內部核融合反應產生,也無法經由大質量恆星在生命末期發生的超新星爆炸製造出來。絕大部分的鈹-10是極高能粒子撞擊像氧這樣的重元素而形成的,但天文學家一直無法確定這種撞擊過程發生在何時與何處。因為這種放射性同位素衰變週期極短,很快地就會衰變成其他元素,所以它必定是剛產生不久,隨即被混入岩石中,之後在太陽系中經過長時間旅行,最終這塊岩石進入地球大氣而成為隕石。

從OMC2 FIR4的觀測結果,Ceccarelli等人認為:為了觸發鈹-10的產生,並能符合天文學家在隕石中偵測到的鈹-10豐度,則我們的太陽在剛形成後不久的年輕時期,原始太陽星雲雲繭尚未消散之際,其向外散發的太陽風必定非常強烈,粒子能量超過10MeV以上;這些極高能粒子撞擊到原恆星星雲的內側邊緣物質,從而引發原子核分裂,才能形成鈹-10這種放射性核種。

資料來源:Young Sun’s Violent History Solves Meteorite Mystery, 2013.07.01, KLC

本文轉載自網路天文館

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