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远古星尘颗粒可能是太阳系形成的起源(2)!

2019-07-17  来源:369新闻网 6
【导读】2016年,贝蒂金发表了一篇论文,对柯伊伯带6个天体的轨道进行了研究。他的研究发现,这些天体的椭圆形轨道指向相同的方向,与八大行星围绕太阳旋转的轨道面之间的倾角为30度。贝蒂金随后进行的一系列研究,都表明第九颗行星是存在的。
远古星尘颗粒可能是太阳系形成的起源(2)!

加州理工学院行星天体物理学家康斯坦丁·贝蒂金——其研究团队接近找到第九颗行星——表示,“目前有5个不同的观察证据都证明第九颗行星是存在的。如果你假设第九颗行星是不存在的,这一假设带来的新问题比它能解决的问题还要多。突然之间我们就有了5个难题,必须提出5种不同理论来解释它们。”

目前,研究人员在利用夏威夷的斯巴鲁望远镜进行观察,希望能发现第九颗行星,并希望能揭示有关其起源的秘密。2016年,贝蒂金发表了一篇论文,对柯伊伯带6个天体的轨道进行了研究。他的研究发现,这些天体的椭圆形轨道指向相同的方向,与八大行星围绕太阳旋转的轨道面之间的倾角为30度。贝蒂金随后进行的一系列研究,都表明第九颗行星是存在的。


远古星尘颗粒可能是太阳系形成的起源(2)!

古生物学家迄今发现的远古生物历史可追溯至6.35亿年前的欧巴宾海蝎,这些地球最早期生物的生活方式非常像现今的海绵,根部扎在海底,过滤水中的食物颗粒。

化石记载地球上最早在大约35亿年前出现生命。有专家提出,但是地球上的生命是如何出现的仍是科学界未解决的谜题之一。

1909年,美国古生物学家、史密森学会秘书查尔斯-沃尔科特(Charles Walcott)在加拿大不列颠哥伦比亚省的伯吉斯山口发现了伯吉斯页岩石,岩石块中含有化学记录历史上许多重要动物群中已知最古老的例证。

大约40亿年前,地球是一个荒凉的地方,没有氧气,到处都是火山爆发,并且还饱受到小行星的轰炸,无论是简单的生物体还是复杂的,无一存活。

但在这个混乱的时期,地球的有机化学分子开始逐渐演变,直到出现最原始的生命。

但是究竟是什么促使了这个关键转折点?在这样一个动荡的世界生命到底是怎么形成的呢?是什么反应产生了最初的氨基酸、蛋白质和其他生命的组成部分?


远古星尘颗粒可能是太阳系形成的起源(2)!

研究人员几十年来一直都在探索这个问题。现在,麻省理工学院和哈佛史密森天体物理中心的行星科学家们发现: 一类称为硫化阴离子的分子可能在地球的湖泊和河流中富集。

大约39亿年前,火山喷发产生的大量二氧化硫进入大气层,最终以硫化物亚硫酸盐和亚硫酸氢盐阴离子溶解在水中的。并且这些分子很可能在浅水湖泊中积累,这为地球上第一个生物分子开创了舞台。

麻省理工学院的地球科学系博士后Sukrit Ranjan说:“在浅水湖泊中,这些分子是其环境中不可缺少的一部分,但它们是否是生命起源的一部分,我们也正在努力解决这个问题。”

Ranjan和他的搭档的初步工作表明: 硫化阴离子会加速简单分子转化为RNA的化学反应,而RNA是生命的基因组成部分。

Ranjan说“这项工作之前,人们不知道早期地球上天然水体中是否存在硫化阴离子,现在我们已经知道,这从根本上改变了我们对早期地球的认识,并且它会对生命起源的研究产生直接的影响。”

有关世界起源和命运的思想可以追溯到已知最早的文字记载;然而,在那大部分的时代里没有人试图把这样的理论与“太阳系”的存在联系起来,原因很简单,因为当时时人一般不相信我们现在了解的太阳系是存在的。迈向太阳系演化形成理论的第一步是对日心说的广泛认同,该模型把太阳放在系统的中心,把地球放在环绕其的轨道上。这一理论孕育了数千年,但直到17世纪末才广泛被接受。第一次有记载的“太阳系”术语的使用是在1704年。

现今太阳系形成的标准理论:星云假说,从其在18世纪被伊曼纽·斯威登堡、伊曼努尔·康德、和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯提出之日起就屡经采纳和摒弃。对该假说重大的批评是它很明显无法解释太阳相对其行星而言缺少角动量。 然而,自从1980年代早期对新恒星的研究显示,正如星云假想预测的那样,它们被冷的气体和灰尘的盘环绕着,才导致这一假想的重新被接受。


这张由欧洲南方天文台甚大望远镜SPHERE探测仪拍摄的壮观照片以前所未有的细节,展现了年轻恒星IM Lupi周围的尘埃盘。这张由欧洲南方天文台甚大望远镜SPHERE探测仪拍摄的壮观照片以前所未有的细节,展现了年轻恒星IM Lupi周围的尘埃盘。


SPHERE探测仪拍摄的最新图片显示,尘埃盘有多种形状、大小和结构。SPHERE探测仪拍摄的最新图片显示,尘埃盘有多种形状、大小和结构。

据报道,在位于智利阿塔卡马沙漠的欧洲南方天文台中,有一台特殊的望远镜让天文学家得以详细观察年轻恒星周围形成的“尘埃盘”。从中获得的信息也许能帮助我们更好地了解太阳系于40亿年前形成时的情况。

这些尘埃盘的存续不过几百万年,与宇宙137亿年的历史相比简直不值一提,但对人类来说,则是长得难以想象。但就在十年前,我们还不具备观察到大部分尘埃盘的能力。天文学家亨宁·阿文豪斯(Henning Avenhaus)表示,“当时只要观察到八个尘埃盘中的任何一个,便等于为发表论文打了包票。”如今,只要你能约上欧洲南方天文台的高分辨率光谱偏振法系外行星搜索仪(简称AKA SPHERE),便能观测到多个尘埃盘。这台先进仪器可用于直接拍摄围绕邻近恒星旋转的地外行星照片,每年只对研究人员开放两次。它的主要用途是研究已经发现的地外行星,而非观察尘埃盘。目前我们对尘埃盘这一现象的了解还很少。该搜索仪能够拦截恒星发出的光线,进而通过偏振滤光器和合适的成像技术观察到恒星周围的行星和尘埃盘。它是欧洲南方天文台甚大望远镜的一部分,于2014年安装完成,但一直到2017年才拍摄首张得到证实的行星照片。阿文豪斯前来参观时表示:“我本来以为,最多能看到三个尘埃盘就不错了。”结果他的团队最后一共观察到了八个尘埃盘,均围绕金牛座T星旋转。金牛座T星是可见恒星中最年轻的一种,年龄不到1千万年,距地球约2.3亿至5亿光年。

该天文台“位置偏远而独特,看上去好似火星表面”。阿文豪斯评价道。他带领的一项研究对此前观察的八颗恒星展开了考察,研究报告将发表在最新一份《天体物理期刊》上,其中探讨了尘埃盘的观测方法。从理论上来说,这些尘埃盘最终会以某种方式凝结为行星。该研究名为“利用SPHERE探测仪观察金牛座T星周围尘埃盘项目”(DARTTS-S),是首次针对尘埃盘开展的大型研究项目。研究人员希望能对其获得进一步了解。

恒星周围尘埃盘的主要成分其实并非尘埃,而是气体。每个尘埃盘只有约1%的物质为固体,但这些固体才是利用SPHERE探测仪能够看见的部分,就像开灯时能看见灯泡周围飘舞的灰尘一样。阿文豪斯指出,人们此前也观测到过这些尘埃盘,“但区别在于,如今我们获取的样本量大大增加。”样本中包含了各式各样的照片,如小型尘埃盘、大型尘埃盘、较分散的尘埃盘、甚至长得像汉堡和悠悠球的尘埃盘等等。这些尘埃盘之大、规模之多变,令他惊奇不已。它们的直径介于100至400个天文单位(即地球到太阳的距离)之间,比整个太阳系还要大。

DARTTS-S团队计划向项目中再增添21颗恒星。“一旦我们有了更多的数据,便能更好地判断所有尘埃盘是否经历了相同的形成过程。”阿文豪斯说道。目前研究人员还不清楚,每种尘埃盘形状究竟代表着同一类恒星生命周期中的不同节点,还是它们的形成过程本就不同。随着更多观察和研究工作的展开,研究人员希望能大大扩增考察的恒星数量,努力从中寻求答案,因为他们不可能等上数百万年来观察某一个尘埃盘的演变过程。

研究小型金牛座T星周围的尘埃盘或许还能帮助我们了解太阳系的历史。”我们无从得知太阳系40亿年前是什么模样。“阿文豪斯表示。这一领域的科学家主要采用两种研究手段:要么借助计算机模拟,要么观察其它仍在形成中的行星系。因为时间旅行目前还无法实现。

恒星的物质来源于星云。每一个星云都是恒星的摇篮,其中孕育着数百万颗恒星。星云中重要的物质不是那些灿烂的气体云,而是其中较暗的部分,包含很多尘埃云。恒星的形成就发生在这些尘埃云中。这些尘埃云密度很大,因此一般情况下,我们很难用一般的望远镜观测到内部的一些过程。关于恒星是如何形成的这一问题成为了天文学中的一个谜。

天文学家第一次发现了长期寻找的宇宙中有史以来最早形成的恒星的光信号——这些恒星约在宇宙大爆炸的1.8亿年后形成。


澳大利亚西部的一个射电望远镜探测到宇宙第一批恒星发出的光。澳大利亚西部的一个射电望远镜探测到宇宙第一批恒星发出的光。

来源:联邦科学与工业研究组织

信号是氢吸收一些原始光后在背景辐射上留下的“指纹”。证据表明构成早期宇宙的气体比预测的要冷。物理学家说,这可能是受暗物质影响的一个标志。如果得到证实,这一发现可能标志着暗物质首次通过引力效应之外的其他事物被探测到。

“除了宇宙大爆炸的余辉之外,这是我们首次看到来自这么早的宇宙时期的信号。”亚利桑那州立大学的天文学家Judd Bowman说。他负责领导这项研究,该研究于2月28日发表在《自然》上。荷兰格罗宁根大学的宇宙学家Saleem Zaroubi说:“如果这是真的,这将是重大新闻。”他还表示,其他团队需要确认该信号,但迄今为止,这些发现似乎很可靠。“这是件非常令人兴奋的事。这是宇宙历史上我们知之甚少的一段时期。”

恒星闪耀

物理学家认为,138亿年前的宇宙大爆炸产生了一个电离等离子体,并随着宇宙的膨胀迅速冷却。大约37万年后,这团混沌开始形成中性氢原子。随着时间的推移 和在重力的影响下, 它们聚集在一起形成了燃烧的恒星。这种转变被称为宇宙黎明(参见‘黎明的早期光’)。


远古星尘颗粒可能是太阳系形成的起源(2)!

现在这些恒星的光线是如此微弱,以至于用地球望远镜探测它几乎是不可能的。但是天文学家一直希望间接地看到它:这些光应该微妙地改变了曾经充满恒星之间空间的氢的行为。这种改变使得氢气在21厘米的无线电波长下,吸收宇宙微波背景(CMB)的辐射——也就是宇宙大爆炸的余辉,使CMB的强度下降。

为了寻找该信号,团队使用了一台名为“全天再电离时期信号探测实验” (EDGES)的射电望远镜,它位于澳大利亚西部的默奇森射电天文台。因为我们自己的星系和人造FM收音机产生与信号相同波段的波,因此要仔细滤除这些更强大的信号源才可能发现CMB强度的下降。但Bowman和同事们很快就发现了和预测频率值大致一致的信号。尽管其辐射强度有0.1%的下降,但仍是预测的大小的两倍。这一发现如此突出,所以研究人员花了两年时间来确认它并非来自仪器效应或噪音。他们甚至建造了第二根天线,并在不同的时间将它们的仪器指向不同的天空片。“两年后,我们通过了所有测试,并且找不到任何替代解释,” Bowman说,“我们这才开始感到兴奋。”

这个时期的辐射随着宇宙的扩展而延伸,这意味着发现信号的频带揭示了它的年代。这使得该团队能够将宇宙黎明的最新发生日期追溯到宇宙大爆炸发生后的1.8亿年。该信号的消失揭露了第二个里程碑——第一批恒星死亡所造成的更高能的X射线提高气体温度并关闭信号的时间。Bowman的团队把这个时间点定在大爆炸发生后约2.5亿年。

了解这些原始恒星非常重要,不仅因为它们塑造了周围的物质,还因为它们的爆炸性死亡创造了含较重元素(如碳和氧)的混合物,后来进一步形成了恒星,Bowman介绍。“如果我们真的想要了解我们起源的宇宙阶梯,这是关键一步。

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