宇宙尘埃哪里来


  宇宙何处惹尘埃?
  只要一段时间不擦拭,桌上、地上、窗台上就布满了灰尘。这些无孔不入的脏东西到底是从哪儿来的?
  “这还不明白?当然是空气从土里带来的了。”你或许会这样回答。倘若局限于地球范围,这么回答诚然是不错的。但是,倘若要从整个宇宙范围来回答这个问题呢?因为要知道,像我们地球这样的岩石质行星,其前身就是一大团的尘埃云——岩石是尘埃凝聚熔化之后形成的——那么,在那个时候,这些尘埃又是从哪里来的呢?
  这一问,就问到天文学家的要害处了。
  如今在宇宙空间,也弥漫着大量的尘埃。这些尘埃主要是由无定形碳(没有特定形状的碳)、碳酸盐和硅酸盐组成的固体小颗粒,尺寸只有1微米的几分之一,仅相当于抽烟时那袅袅上升的烟雾颗粒般大小。假如没有这些尘埃,人类的空间望远镜在太空中就能看见更多的星星。
  但宇宙尘埃对于形成我们今天所看到的宇宙又确乎少不得。假如没有它们,那么:首先,恒星就无法形成。因为宇宙尘埃的存在,阻挡或减轻了许多高能辐射,有助于恒星的前身——星际气体云的冷却凝聚成恒星;其次,假如真像有的科学家所认为的,地球上的生命种子来自太空,那么没有宇宙尘埃,地球上也就不会出现生命,因为有机小分子遇到尘埃颗粒,粘附在上面,有利于复杂大分子的形成,这比让小分子盲目地瞎碰瞎撞去形成大分子要强多了。
  所以,宇宙尘埃是建造宇宙天体的起点。事实上我们这些地球生命,且撇开生命起源问题不提,单组成我们身体的元素,大部分最终也来自宇宙尘埃。
  但宇宙在诞生之初本没有尘埃,因为在大爆炸后的早期,只有氢、氦和少量的锂,像碳、硅这类比较重的元素那时连影子都还没有。这些尘埃是后来才制造出来的。
  那么,是谁在宇宙中“扬起了这么大的灰尘”?
  第一嫌疑犯:红巨星
  在不久之前,我们还自以为对这个问题已经了然于胸了呢。天文学家信誓旦旦地认为,老年恒星在它们演化的后期就成了制造宇宙尘埃的天然“大烟囱”。
  按照天文学家的描述,一颗恒星在演化过程中,其内部会通过核反应合成越来越重的元素,由于其核心温度越来越高,到了晚年,它将膨胀成一颗红巨星,尺寸比原先大上百万倍。譬如,一旦我们的太阳也膨胀成一颗红巨星,那么它将吞噬掉水星、金星,甚至还有地球。红巨星膨胀之后,其稀薄的外层温度迅速降低,在那里,从内部喷出来的炎热气态物质冷凝成固态小颗粒,就像煤烟在烟囱里凝结一样。这时它就成了制造尘埃的“大烟囱”。
  在银河系,这幅图景与观测事实很相符。我们在银河系所观测到的尘埃数量,与我们预计在银河系100亿年的历史上形成和死亡的红巨星数量刚好匹配。
  但在单个星系上成立并非就能保证在整个宇宙范围也成立。事情的转折点发生在1990年代,那时由于高性能望远镜刚刚建成,天文学家能够观测到遥远星系上的尘埃。这些星系非常古老(因为星系发出的光传播到地球上是需要时间的,离我们越远,发出的时间就越早,所以我们看到的星系就越古老。譬如一个星系如果离我们10亿光年,那么它的光是10亿年之前发出的,我们现在看到的就是该星系10亿年之前的样子),离宇宙诞生才数亿年时间。但恒星演化到红巨星阶段至少需要10亿年,而这些星系形成连10亿年都还不到,所以按理说它们是非常“干净”,没有尘埃的。可事实上,这些星系却弥漫着尘埃。典型的例子是代号为J1148+5251的一个星系,尽管它的年龄不到9亿年,但它所拥有的尘埃数量是银河系的10多倍。
  宇宙在过去比现在尘埃还多!这么说,在那些遥远的古老星系里,一定有除红巨星之外别的什么东西在制造尘埃,并且比红巨星还干得出色。
  那么它会是谁呢?
  第二嫌疑犯:超新星
  天文观测又为我们提供了一个“嫌疑犯”:超新星。
  超新星是大质量恒星坍缩成白矮星、中子星或者黑洞之前的最后一次“回光返照”。超新星爆发时,通过剧烈的核爆炸,会把自己的外层剥个精光,只剩下小小的内核。而在它抛撒出来的物质中,就含有丰富的碳、氮、氧等比较重的元素。
  一般来说,只有大于8倍太阳质量的恒星才会在后期演化为超新星。这些恒星因为质量大,燃烧就比小质量恒星更为剧烈,所以寿命也较短,从诞生到变成一颗超新星,用不了10亿年。而在宇宙的早期,由于那时氢氦元素十分丰富,形成的恒星个头都很大,质量动辄是太阳的十几倍,这些恒星大多数以超新星爆发的形式了此残生,所以它们自然就成了制造宇宙尘埃的“大烟囱”。这样,我们似乎就解释了早期宇宙为什么也弥漫着尘埃的问题。
  但是且慢,这里还有个问题:超新星在爆炸中会制造尘埃,这固然没错,但“成也萧何,败也萧何”,爆炸产生的冲击波又会把尘埃颗粒激荡得粉碎,就好比现在医院里用超声波来击碎胆结石一样。超新星产生的冲击波比超声波强上百万倍,而且还会在超新星爆发的附近空间振荡上百年,有足够的能量和时间把许多刚形成的尘埃颗粒击得粉碎,重新回到单个原子的状态。这样一来,很多尘埃不可避免要化为乌有了。
  当然,也会有少量的尘埃躲过一劫,现在的问题是,这部分幸存下来的尘埃比例有多大?能幸存下来的宇宙尘埃能否与观测事实相符?
  严重不符!26年前,在银河系的邻居星系——大麦哲伦星云中爆发了一颗超新星,被天文学家命名为SN1987A。SN1987A是自人类发明望远镜以来,爆发时间上离我们最近的一颗超新星。天文学家经过观测,发现这颗超新星爆发产生的宇宙尘埃实际质量是理论预言的4到7倍——这么多尘埃足够制造20多万个地球了。一次超新星爆发就能产生如此多的尘埃,相比之下,红巨星制造的尘埃甚至都可以忽略不计。由此可以得出这样的结论:几乎所有的宇宙尘埃很可能都来自超新星爆发。
  宇宙尘埃何时落定?
  但丹麦天文学家马特森对此结果表示怀疑,在他看来,超新星制造的尘埃似乎多了点。他认为,既然超新星爆发产生的冲击波会在爆发位置附近来回激荡上百年,而超新星SN1987A的爆发离我们才短短26年,所以现在就下结论似乎为时尚早。事实上,300多年前在银河系爆发的一颗超新星,它所产生并幸存下来的尘埃量就少得多,且与理论预言大体相当。