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120億光年外星系 發現氟元素

由美國國家航空暨太空總署提供的宇宙星系圖。(Shutterstock)
由美國國家航空暨太空總署提供的宇宙星系圖。(Shutterstock)

編譯/高杉
天文學家第一次在120億光年之遙的星系中探測到「氟」,這是一種在我們的骨骼和牙齒中以氟化物存在的元素,該研究結果發表於《Nature Astronomy》期刊上。

這項研究的首席作者馬克西米連·弗朗哥(Maximilien Franco)是英國赫特福德大學(University of Hertfordshire)的天體物理學博士研究員。他說:「我們都知道氟,因為我們每天使用的牙膏中就含有氟。但我們甚至並不清楚,是哪種類型的恆星產生了宇宙中大部分的氟!」

在我們的太陽系、地球甚至我們自己的身體中所發現的元素,都源自恆星核心。它們在恆星發生爆炸的過程中被釋放出來,但是氟是如何在這些恆星中產生的,這個謎一直沒有被解開,甚至不知道是哪種類型的恆星產生了宇宙中大部分的氟。

研究人員利用智利的阿塔卡馬大型毫米/次毫米波陣列望遠鏡(ALMA),在一個極其遙遠的恆星形成星系中探測到了氟的存在。

大質量恆星的起源

研究團隊在遙遠星系NGP-190387的巨大氣體雲中發現了氟(以氟化氫的形式)。這個星系發出的光經過120億年才會到達我們這裡。所以,在天文學家觀察這個星系時,所看到的是這個宇宙只有14億年的時候的樣子。

研究人員說,在整個宇宙中,釋放氟氣的恆星很可能壽命很短,而且很早就死亡了。沃爾夫-拉葉星(Wolf-Rayet Stars)可能就是它們的來源。這些產生出來的恆星是難以置信的巨大,但它們只能存在幾百萬年——與我們的宇宙存在的130億年相比,這是一段很短的時間線。

只有一些大質量恆星在它們的生命接近尾聲的時候,才會進化成沃爾夫-拉葉星。這個階段會持續幾十萬年,但在一顆恆星的生命週期中,這是非常短暫的。在一億顆恆星中,只有一顆的質量大到足以成為沃爾夫-拉葉星。

此前,研究人員認為,沃爾夫-拉葉星可能是氟的來源,而這次直接探測證實了這一點。

佛朗哥說:「我們已經證明,沃爾夫-拉葉星是已知的最大質量恆星之一,在它們壽終正寢時可能發生劇烈爆炸,而這在某種程度上幫助了我們,保持良好的牙齒健康。」

氟與早期宇宙

科學家們認為,氟的其他潛在來源還包括漸近巨星支(Asymptotic Giant Branch Stars),它們是脈衝恆星,質量是太陽的幾倍。但是,這些天體的演化需要數十億年的時間,花費的時間太長,也無法解釋在遙遠的星系中所檢測到的氟的數量。

該研究報告的合著者,英國赫特福德郡大學(University of Hertfordshire)的小林千晶(Chiaki Kobayashi)教授在一份聲明中說:「對於這個星系來說,只需要幾千萬年甚至幾億年的時間,它的氟含量就可以與銀河系中的恆星相媲美,而銀河系中的恆星已經有135億年的歷史了。這是一個完全出乎意料的結果。我們的測量對氟的來源增加了一個全新的範圍。這個問題已經被研究了二十年。」

在如此遙遠的星系中發現氟,擴展了這種元素的影響範圍。在這一發現之前,它只在我們的銀河系及其鄰近星系,以及一些遙遠的類星體,或由某些星系中心的超大質量黑洞引擎提供動力的明亮天體中被發現過。

同時,這個發現把氟歸為了一種早期存在於宇宙中的元素。

研究人員期待著使用目前正在智利建造的超大望遠鏡來觀測這個星系。預計,觀測將於2027年開始,這將揭示有關NGP-190387星系的更多奧祕。◇