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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

臺北天文館_96
・2014/07/14 ・1512字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

Herschel_Orion_A_composite_625

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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臺北天文館_96
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水熊蟲真的能跟量子位元「量子糾纏」嗎?

linjunJR_96
・2022/01/20 ・2128字 ・閱讀時間約 4 分鐘

身形嬌小的水熊號稱地表最強生物,能夠透過獨特的「隱生」能力在最極端的環境下存活。這種狀態有點類似冬眠,遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期,有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐:和超導量子位元進行量子糾纏。用生物體做量子糾纏可是前所未聞,讓大家都嚇壞了。不過這個實驗究竟做出了什麼結果,讓作者可以做出這種宣稱?科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢?

掃描式電子顯微鏡下的水熊成蟲。圖/EOL

什麼是量子糾纏?

量子糾纏是量子力學獨有的一種描述,至於實際上到底是在「糾纏」什麼,可以參考先前這篇文章[2]

儘管名字聽起來很神祕,但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場,現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說,但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制,結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統,生物體的結構可說是極為雜亂複雜,難以成為量子實驗的對象。

此外,為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響,糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。在這種溫度下不只生命無法延續,許多物質的特性也都已經改變。

因此,儘管實驗方面已經發展許久,要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。對量子力學來說,整個生物世界太亂又太熱,完全不會想靠近一步。正因如此,這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏

水熊一般只有幾百微米大,算是「巨觀」生物中相對微小的種類,要做量子實驗的話較好下手;更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境,爾後再重新恢復活力,如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標 0.01 度(也就是只比絕對零度高 0.01 度),同時接近真空的環境中,在此和兩個超導量子位元進行實驗。他們將水熊放入其中一個量子位元零件中,並觀察到位元的共振頻率產生改變。接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏,並測試糾纏結果。

根據測試的結果,作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。也就是說,水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元,和另外兩個超導位元糾纏在一起!實驗結束後,水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍,最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制,打開了通往量子生物學的大門,並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題,將文章的預印版放上了 arXiv 網站,引起科學界一片譁然。

圖/GIPHY

等等,這其實不用量子力學也能解釋

雖然實驗相當有趣,媒體也爭相報導,但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動,突破性恐怕也是過於誇大。

超導量子位元其實跟一般電子零件一樣,裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路;而接近絕對零度的水熊,基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面,會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。如果電容裡面掉進了一些灰塵,其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊,灰塵,還是螞蟻,這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的,並非量子現象。

也就是說,作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實,甚至有誤導之嫌。這篇文章目前還未投稿至期刊,因此沒有經歷同行科學家的審查,還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進,目前仍是備受爭辯的有趣問題。不過有件事是大部分人都同意的,那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。或許將來某天,水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。不過就目前而言,好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按:該如何驗證量子糾纏,可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天:06/28〉,此論文的主要問題是不能藉由實驗設計,來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

參考資料

  1. 看過「水熊蟲」走路嗎?——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似!
  2. 照出黑洞不算什麼,科學家連量子纏結都能拍到!?
  3. 水熊和超導量子位元的糾纏(原文)

linjunJR_96
2 篇文章 ・ 2 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。