宇宙塵埃哪里來

石無魚

宇宙何處惹塵埃？

只要一段時間不擦拭，桌上、地上、窗臺上就布滿了灰塵。這些無孔不入的臟東西到底是從哪兒來的？

“這還不明白？當(dāng)然是空氣從土里帶來的了?！蹦慊蛟S會這樣回答。倘若局限于地球范圍，這么回答誠然是不錯的。但是，倘若要從整個宇宙范圍來回答這個問題呢？因?yàn)橐?，像我們地球這樣的巖石質(zhì)行星，其前身就是一大團(tuán)的塵埃云——巖石是塵埃凝聚熔化之后形成的——那么，在那個時候，這些塵埃又是從哪里來的呢？

這一問，就問到天文學(xué)家的要害處了。

如今在宇宙空間，也彌漫著大量的塵埃。這些塵埃主要是由無定形碳（沒有特定形狀的碳）、碳酸鹽和硅酸鹽組成的固體小顆粒，尺寸只有1微米的幾分之一，僅相當(dāng)于抽煙時那裊裊上升的煙霧顆粒般大小。假如沒有這些塵埃，人類的空間望遠(yuǎn)鏡在太空中就能看見更多的星星。

但宇宙塵埃對于形成我們今天所看到的宇宙又確乎少不得。假如沒有它們，那么：首先，恒星就無法形成。因?yàn)橛钪鎵m埃的存在，阻擋或減輕了許多高能輻射，有助于恒星的前身——星際氣體云的冷卻凝聚成恒星；其次，假如真像有的科學(xué)家所認(rèn)為的，地球上的生命種子來自太空，那么沒有宇宙塵埃，地球上也就不會出現(xiàn)生命，因?yàn)橛袡C(jī)小分子遇到塵埃顆粒，粘附在上面，有利于復(fù)雜大分子的形成，這比讓小分子盲目地瞎碰瞎撞去形成大分子要強(qiáng)多了。

所以，宇宙塵埃是建造宇宙天體的起點(diǎn)。事實(shí)上我們這些地球生命，且撇開生命起源問題不提，單組成我們身體的元素，大部分最終也來自宇宙塵埃。

但宇宙在誕生之初本沒有塵埃，因?yàn)樵诖蟊ê蟮脑缙?，只有氫、氦和少量的鋰，像碳、硅這類比較重的元素那時連影子都還沒有。這些塵埃是后來才制造出來的。

那么，是誰在宇宙中“揚(yáng)起了這么大的灰塵”？

第一嫌疑犯：紅巨星

在不久之前，我們還自以為對這個問題已經(jīng)了然于胸了呢。天文學(xué)家信誓旦旦地認(rèn)為，老年恒星在它們演化的后期就成了制造宇宙塵埃的天然“大煙囪”。

按照天文學(xué)家的描述，一顆恒星在演化過程中，其內(nèi)部會通過核反應(yīng)合成越來越重的元素，由于其核心溫度越來越高，到了晚年，它將膨脹成一顆紅巨星，尺寸比原先大上百萬倍。譬如，一旦我們的太陽也膨脹成一顆紅巨星，那么它將吞噬掉水星、金星，甚至還有地球。紅巨星膨脹之后，其稀薄的外層溫度迅速降低，在那里，從內(nèi)部噴出來的炎熱氣態(tài)物質(zhì)冷凝成固態(tài)小顆粒，就像煤煙在煙囪里凝結(jié)一樣。這時它就成了制造塵埃的“大煙囪”。

在銀河系，這幅圖景與觀測事實(shí)很相符。我們在銀河系所觀測到的塵埃數(shù)量，與我們預(yù)計在銀河系100億年的歷史上形成和死亡的紅巨星數(shù)量剛好匹配。

但在單個星系上成立并非就能保證在整個宇宙范圍也成立。事情的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在1990年代，那時由于高性能望遠(yuǎn)鏡剛剛建成，天文學(xué)家能夠觀測到遙遠(yuǎn)星系上的塵埃。這些星系非常古老（因?yàn)樾窍蛋l(fā)出的光傳播到地球上是需要時間的，離我們越遠(yuǎn)，發(fā)出的時間就越早，所以我們看到的星系就越古老。譬如一個星系如果離我們10億光年，那么它的光是10億年之前發(fā)出的，我們現(xiàn)在看到的就是該星系10億年之前的樣子），離宇宙誕生才數(shù)億年時間。但恒星演化到紅巨星階段至少需要10億年，而這些星系形成連10億年都還不到，所以按理說它們是非?！案蓛簟?，沒有塵埃的?？墒聦?shí)上，這些星系卻彌漫著塵埃。典型的例子是代號為J1148+5251的一個星系，盡管它的年齡不到9億年，但它所擁有的塵埃數(shù)量是銀河系的10多倍。

宇宙在過去比現(xiàn)在塵埃還多！這么說，在那些遙遠(yuǎn)的古老星系里，一定有除紅巨星之外別的什么東西在制造塵埃，并且比紅巨星還干得出色。

那么它會是誰呢？

第二嫌疑犯：超新星

天文觀測又為我們提供了一個“嫌疑犯”：超新星。

超新星是大質(zhì)量恒星坍縮成白矮星、中子星或者黑洞之前的最后一次“回光返照”。超新星爆發(fā)時，通過劇烈的核爆炸，會把自己的外層剝個精光，只剩下小小的內(nèi)核。而在它拋撒出來的物質(zhì)中，就含有豐富的碳、氮、氧等比較重的元素。

一般來說，只有大于8倍太陽質(zhì)量的恒星才會在后期演化為超新星。這些恒星因?yàn)橘|(zhì)量大，燃燒就比小質(zhì)量恒星更為劇烈，所以壽命也較短，從誕生到變成一顆超新星，用不了10億年。而在宇宙的早期，由于那時氫氦元素十分豐富，形成的恒星個頭都很大，質(zhì)量動輒是太陽的十幾倍，這些恒星大多數(shù)以超新星爆發(fā)的形式了此殘生，所以它們自然就成了制造宇宙塵埃的“大煙囪”。這樣，我們似乎就解釋了早期宇宙為什么也彌漫著塵埃的問題。

但是且慢，這里還有個問題：超新星在爆炸中會制造塵埃，這固然沒錯，但“成也蕭何，敗也蕭何”，爆炸產(chǎn)生的沖擊波又會把塵埃顆粒激蕩得粉碎，就好比現(xiàn)在醫(yī)院里用超聲波來擊碎膽結(jié)石一樣。超新星產(chǎn)生的沖擊波比超聲波強(qiáng)上百萬倍，而且還會在超新星爆發(fā)的附近空間振蕩上百年，有足夠的能量和時間把許多剛形成的塵埃顆粒擊得粉碎，重新回到單個原子的狀態(tài)。這樣一來，很多塵埃不可避免要化為烏有了。

當(dāng)然，也會有少量的塵埃躲過一劫，現(xiàn)在的問題是，這部分幸存下來的塵埃比例有多大？能幸存下來的宇宙塵埃能否與觀測事實(shí)相符？

嚴(yán)重不符！26年前，在銀河系的鄰居星系——大麥哲倫星云中爆發(fā)了一顆超新星，被天文學(xué)家命名為SN1987A。SN1987A是自人類發(fā)明望遠(yuǎn)鏡以來，爆發(fā)時間上離我們最近的一顆超新星。天文學(xué)家經(jīng)過觀測，發(fā)現(xiàn)這顆超新星爆發(fā)產(chǎn)生的宇宙塵埃實(shí)際質(zhì)量是理論預(yù)言的4到7倍——這么多塵埃足夠制造20多萬個地球了。一次超新星爆發(fā)就能產(chǎn)生如此多的塵埃，相比之下，紅巨星制造的塵埃甚至都可以忽略不計。由此可以得出這樣的結(jié)論：幾乎所有的宇宙塵埃很可能都來自超新星爆發(fā)。

宇宙塵埃何時落定？

但丹麥天文學(xué)家馬特森對此結(jié)果表示懷疑，在他看來，超新星制造的塵埃似乎多了點(diǎn)。他認(rèn)為，既然超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波會在爆發(fā)位置附近來回激蕩上百年，而超新星SN1987A的爆發(fā)離我們才短短26年，所以現(xiàn)在就下結(jié)論似乎為時尚早。事實(shí)上，300多年前在銀河系爆發(fā)的一顆超新星，它所產(chǎn)生并幸存下來的塵埃量就少得多，且與理論預(yù)言大體相當(dāng)。

這個質(zhì)疑聽起來也很合理。這樣一來，由于在非常早期的宇宙中紅巨星不存在，而超新星爆炸產(chǎn)生的沖擊波又會把自己制造的大部分塵埃加以摧毀，如此我們又回到了問題的起點(diǎn)：遙遠(yuǎn)星系中的這些大量的塵埃究竟來自何處？

美國普利斯頓大學(xué)的布魯斯·德瑞尼提供了第三種可能的解釋：現(xiàn)在組成塵埃的元素還是由紅巨星或者超新星制造的，但這些材料凝結(jié)成塵埃顆粒，卻是后來的事。

按他的看法，事情是這樣：超新星產(chǎn)生的沖擊波橫掃整個星系，不僅摧毀了超新星自己制造的幾乎所有塵埃，還摧毀了由紅巨星制造的塵埃。但在星際空間，由氫氣和氦氣分子組成的密度稍大的“分子云”卻能減緩沖擊波，由此為少量塵埃提供了一個“避難所”，以躲過沖擊波的破壞，在那里，塵埃慢慢凝聚成小顆粒。最初以少量幸存下來的微小顆粒（或來自超新星，或來自紅巨星）作為凝結(jié)核，那些被沖擊波擊碎的塵埃，以原子的形式不斷吸附上去，于是塵埃逐漸變成現(xiàn)在這般大小。

這個解釋可靠嗎？要回答這個問題，需要實(shí)際捕捉和分析一些宇宙塵埃才能回答。因?yàn)樵诔滦堑摹昂巳蹱t”中產(chǎn)生的塵埃與紅巨星產(chǎn)生的塵埃，其成分是有區(qū)別的。另外，塵埃顆粒的致密程度應(yīng)該還可以告訴我們它形成所花的時間，以及分子云在它形成的過程中所扮演的角色。所以需要捕捉一些宇宙塵埃才行。你或許會問“用我們身邊的這些灰塵分析不行嗎？它們在本質(zhì)上不也是宇宙塵埃？”不行！因?yàn)檫@些灰塵在地球上經(jīng)過數(shù)十億年的地殼運(yùn)動，其成分已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，我們無從得知它們最初是什么樣子的。

雖然，不論紅巨星還是超新星都遠(yuǎn)在人類飛行器能抵達(dá)的范圍之外，但要捕捉宇宙塵埃其實(shí)并不難。太陽系在繞銀河系中心運(yùn)動，我們始終在不斷地與宇宙塵埃相撞。我們只要派個飛行器，到太空收集一些來就是了。

的確，歐洲宇航局于1999年已派出“星塵”號飛行器，2006年它把收集的塵埃樣品用降落傘送回了地球。因?yàn)樗c兩顆彗星的彗尾相遇，所以收集的大部分塵埃來自彗星，一部分則來自飛行器自己脫落的粉塵，但還有一小部分塵埃顆粒，已鑒別出來自太陽系外——只有這部分塵埃才是真正意義上的“宇宙塵埃”。分析結(jié)果可能今年能夠出來。到時候，宇宙塵埃來自何處這個問題也許就可以“塵埃落定”了。

超級鏈接：我們?nèi)绾斡^測宇宙塵埃

宇宙塵埃一般是很難被觀測到的，但不論何時，當(dāng)一個可見光的光子與塵埃顆粒碰撞的時候，光子的能量就會被塵埃吸收，從而把塵埃顆粒加熱。塵埃被加熱后，它又會把一部分熱量以紅外光的形式輻射出來，輻射的紅外光可以被紅外天文望遠(yuǎn)鏡探測到。

因?yàn)榧t外光很容易被地球大氣吸收，所以為了避免干擾，紅外天文望遠(yuǎn)鏡一般要發(fā)射到太空。擁有直徑3.5米接收鏡的赫歇耳望遠(yuǎn)鏡是迄今發(fā)射的最大紅外望遠(yuǎn)鏡，是接收來自宇宙塵埃信號的理想儀器。

（杜啟榮摘自《大科技·科學(xué)之謎》2013年第5期）

■責(zé)編：徐艷蘭