當你凝視玻璃杯或走在沙灘上時，是否會聯(lián)想到這些材料跟恒星的死亡有關(guān)?

近日，一個國際科學(xué)家團隊表示，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，離地球數(shù)十億光年的兩個超新星的殘余物中包含玻璃的主要成分二氧化硅。研究人員使用美國國家航空航天局的斯皮策太空望遠鏡來分析垂死恒星發(fā)出的光，獲得了二氧化硅的“指紋”。

宇宙中所有重元素的熔爐

“這是我們首次證明，超新星爆發(fā)產(chǎn)生的二氧化硅足以對整個宇宙中的塵埃產(chǎn)生影響。”英國卡迪夫大學(xué)物理和天文學(xué)院的海莉·戈麥斯(Haley Gomez)表示。

實際上，地球上大部分自然元素都與超新星爆發(fā)過程有關(guān)。為什么這是第一次證實超新星產(chǎn)生的硅元素足夠成為宇宙塵埃中硅元素的來源呢?中國科學(xué)院國家天文臺研究員鄧李才告訴科技日報記者：“從理論上來講，科學(xué)家很早就知道超新星爆發(fā)能夠產(chǎn)生硅元素，而本次研究的突破主要是在觀測層面進行了證實。”

“恒星是宇宙中所有重元素的熔爐。”鄧李才解釋道，宇宙大爆炸初期的主要成分是氫和氦，氫約占80%，氦約占20%。在恒星演化過程中，氫最先燃燒，氫燃燒完以后再點燃氦，氦燃燒的過程中會產(chǎn)生碳和氧。“碳氧燃燒的過程就會產(chǎn)生硅、鈣、鎂等元素，這些元素也會燃燒，不過需要更高的溫度。”

這種先后燃燒的機制跟恒星的溫度分布有關(guān)，恒星中央溫度最高。“就像洋蔥一樣，一層一層燃燒，它可以確保恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平衡。”鄧李才告訴記者。

在“洋蔥”中，有兩層與硅元素的產(chǎn)生有關(guān)。一層是硅自身的燃燒，一層是產(chǎn)生硅元素的燃燒過程。鄧李才說：“如果這兩個燃燒過程在超新星爆發(fā)前還未結(jié)束，其中的硅元素就會在超新星爆發(fā)時被拋射到宇宙之中。”

除了氫和氦，氧也很活躍，遇到硅之后，就形成了二氧化硅。而二氧化硅是制造玻璃和形成塵埃的主要成分。如果遇到合適的條件，塵埃就會冷卻聚集，慢慢變大，最后變成第二代及以后的恒星或行星，比如地球。“在宇宙中，這個過程非常普遍。”鄧李才表示。二氧化硅約占地殼的60%。從某種程度上講，地球上的二氧化硅是遠古恒星的“遺物”。

在觀測中逐步驗證理論預(yù)言

硅元素在恒星演化中生成，這一觀點的理論解釋已經(jīng)比較成熟，但觀測起來有困難。“因為觀測時，需要這種恒星是大質(zhì)量恒星，質(zhì)量至少是8個太陽質(zhì)量，甚至到超過100個太陽質(zhì)量。”

大質(zhì)量恒星演化晚期，元素合成至鐵后，內(nèi)部將不再通過熱核反應(yīng)產(chǎn)生新能量，巨大的引力使整個星體迅速向中心坍縮。一種結(jié)局是將中心物質(zhì)都壓成中子狀態(tài)，形成中子星，質(zhì)量更大的核心甚至塌縮成為黑洞。

大質(zhì)量恒星都是以爆發(fā)為Ⅱ型超新星結(jié)束它們的一生。鄧李才告訴記者，一般而言，大質(zhì)量恒星超新星爆炸會把大部分或者全部物質(zhì)拋射進入太空，最終留下中子星或黑洞，具體情況視恒星的初始質(zhì)量和物理狀態(tài)而定。

但是，大質(zhì)量恒星在宇宙中很少。“宇宙中大多數(shù)恒星爆發(fā)為Ⅰa型超新星，它們的前身是雙星中的小質(zhì)量恒星，原因是小質(zhì)量恒星在形成時就比大質(zhì)量恒星比例高。在超新星爆炸時，小質(zhì)量恒星(比如雙星系統(tǒng)中的白矮星)跟大質(zhì)量恒星拋出去的物質(zhì)并不一樣。這就給觀測硅元素的誕生帶來難度。”鄧李才說。

其實這就好比探測暗物質(zhì)。鄧李才說：“理論上來看，宇宙中存在暗物質(zhì)，但我們還無法探測到。也許暗物質(zhì)的相互作用會發(fā)出某種輻射，科學(xué)家們常常通過探測理論預(yù)言的輻射去探測暗物質(zhì)。”

觀測硅元素也是如此。“理論上講，通過恒星演化可以預(yù)測硅的產(chǎn)生甚至可以預(yù)言硅的產(chǎn)量。而這次研究觀測到超新星遺跡中的硅元素，是對以往理論的證明。”鄧李才告訴記者，宇宙中有很多不確定性，通過觀測可以有新發(fā)現(xiàn)，也可以排除一些理論假說。

需要注意的是，恒星爆炸并不是直接產(chǎn)生玻璃，而是產(chǎn)生制造玻璃的材料。“當我們沿著人行道走或踏上沙灘，都在與數(shù)百萬年前燃燒的爆炸恒星制成的材料相互作用。”海莉·戈麥斯說。