2021年11月15日 10:00
【科學快訊】
拿起牙膏的外包裝盒，你可能會在成分中看到「氟化鈉」之類的字眼。正如我們知道的那樣，氟是一種對牙齒健康很重要的元素，它能強化牙釉質，有助於防止蛀牙。然而，牙膏可能並不會激發你太多的想象力，但就像地球上所有的東西一樣，從平凡到偉大，氟化物——這個與微笑有關的故事，也有著它的宇宙起源。在一項發表於《自然-天文學》上的新研究中，天文學家揭示了它的起源故事。
事實上，所有的自然元素都誕生於很久以前的宇宙中。氫是其中最古老的一種元素，它形成於宇宙大爆炸後不久。在大爆炸的幾分鐘內，氦、氘、鋰這些較輕的元素也在大爆炸核合成過程中形成了。自那之後，幾乎所有的其他元素都是在與恒星的生死有關的過程中形成的。
氟是核天體物理和恒星天體物理學中最有趣的元素之一。1992年，科學家首次對太陽以外的其他恒星進行了氟豐度測量。在那之後，天文學家又測量了少數幾個可能形成於早期宇宙的貧金屬星的氟豐富。
在新研究中，天文學家利用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA）觀測了一個名為NGP-190387的遙遠星系。透過ALMA，天文學家能夠看到遙遠星系中的寒冷塵埃和氣體所發出的光。他們的觀測數據揭示了一些意想不到的信息：光線在1.32毫米波的波長處出現了下降。
這正好與由一個氫原子和一個氟原子組成的氟化氫分子吸收的光的波長相對應。這一下降暗示了這個星系中有氟化氫氣體雲存在。這些光束經過了120億年才抵達到望遠鏡中，因此讓我們看到了在年輕宇宙中的星系的樣子。
這一結果令天文學家十分興奮，因為它為星系在最初形成後不久的化學元素提供了信息。從新研究中，他們發現即使在如此早期的時候，NGP-190387中也有高豐度的氟。雖然在此之前，天文學家已經在遙遠星系中觀察到了如碳、氮、氧之類的其他元素，但這是首次在如此遙遠的產星星系中檢測到氟。
在早期星系中觀察到的元素種類越多，就越有助於我們理解當時的化學物質的富集過程。目前，天文學家已知在宇宙中有幾種不同的過程可以導致氟的產生，例如在核心坍縮超新星爆炸中，在一些已經燃燒了核心中的大部分氫和氦的漸近巨分支恒星（接近生命終點的紅超巨星）中，等等。
通過使用那些描述了元素如何在恒星和超新星中形成的模型，研究人員可以預計出從這些來源中所能夠產生的氟的量。在新研究中，他們發現，NGP-190387中的氟含量太高，現有的超新星模型和漸近巨型分支恒星模型無法對這樣的高含量加以解釋。這意味著這個星系中的氟應該還有額外的來源。
研究人員認為，一種名為沃爾夫-拉葉星（WR型星）的恒星是一種可能的氟來源。
沃爾夫-拉葉星非常罕見，在銀河系中只有幾百顆。它們是非常極端的恒星，是質量在太陽質量10倍以上的大質量恒星的生命周期中的一個階段。在它們短暫的生命即將結束時，這些恒星在其核心燃燒氦，這時它們的亮度是太陽的數百萬倍。不同尋常的是，沃爾夫-拉葉星已經在強星風下失去了它們的氫外殼，只留下氦核暴露在外。最終，它們會以壯烈的核心坍縮超新星的方式爆炸。
當研究人員將沃爾夫-拉葉星中的氟含量加入模型中時，他們得到了可以解釋來自NGP-190387的光線下降的結果。
一直以來，天文學家對於恒星在最早期的化學演化仍知之甚少，而這些問題是非常重要的，因為隨著恒星的誕生和死亡，它們產生的元素會分散到整個星系甚至更遠的地方。許多年後，其中的一些元素會形成像地球這樣的新行星。
越來越多的證據表明，在早期宇宙中，星系的增長速度快得驚人，那時恒星的形成和化學物質的富集都處於井噴式的狀態，這些過程為我們今天所看到的宇宙奠定了基礎。現在，新的研究結果再次為這種觀點增添了新的證據，也為120億年前的天體物理學提供了新的詳盡見解。與此同時，最重要的是，它表明了和我們的微笑有關的故事，像時間一樣古老。
#創作團隊：
原文：James Geach（赫特福德郡大學天體物理學教授）
編譯：不二北鬥
#參考來源：
#圖片來源：
封面圖：Nasa/Judy Schmidt， CC BY-SA
本文經授權轉載自公眾號「原理」
