被困在南極古冰中的星塵

穿越一片星際云

在宇宙中，除了恒星、行星和衛星之外，還有很大一部分是充滿了由氣體、等離子體和星塵組成的云，它們被稱為星際云。僅在太陽系近域，就分布著15個這樣的星際云。在過去的數萬年里，我們的太陽系正在穿越其中一個，它被稱為本星際云。

太陽系穿越本地星際云的路徑。星際云的輪廓以一種星際“指紋”的形式，保存在南極冰層之中。（圖/B. Schr?der/HZDR/ NASA/Goddard/Adler/U.Chicago/Wesleyan）

幾年前，物理學家Dominik Koll及其合作者在形成時間不足20年的南極表層雪中，發現了一種由超新星產生的鐵同位素——鐵-60（??Fe）。當時，研究人員推測，本星際云中含有鐵-60，并且能夠在很長時間內保存它。當太陽系穿過這片星際云時，地球可能收集到了這些物質。不過，這一猜測當時并未得到證實。

現在，在一項發表于《物理評論快報》的新研究中，Koll及其團隊在更加古老的南極冰芯中，探測到了極其微量的鐵-60，進而證實了最初的猜測。

藏在南極冰中的星塵指紋

恒星就像宇宙中的熔爐，會在核心中鍛造出許多元素，從碳、氧，到鈣和鐵。其中也包括鐵-60這樣的稀有同位素。當大質量恒星在生命盡頭爆發為超新星時，這些元素會被拋射到太空中，成為星際塵埃。這些塵埃中的微小顆粒隨后在銀河系中漂流，并偶爾抵達地球表面。放射性鐵-60就嵌在這些顆粒之中，它是恒星爆炸留下的“指紋”。

通過在地球的地質檔案中尋找這些原子，天文學家就能在超新星的光芒早已消散之后，繼續探查這類天體物理事件。這正是南極之所以如此珍貴的原因：南極的積雪累積緩慢，而且基本未受擾動，從而形成了一份分層保存的記錄，可追溯到數萬年前。每一層都記錄了當時存在于宇宙近域中的物質，就像留下了一張時間快照。

2019年，當研究人員在近代的南極雪樣中意外發現了這種罕見的鐵-60放射性同位素時，他們疑惑于這些同位素究竟它來自何處，因為近期的地球附近并沒有發生超新星爆發。但還有另一種可能：太陽系的近域中分布著15個星際云，而太陽系目前至少正在穿越其中一個。那么，是否有可能這些星際塵埃一直“藏”在星際云中，隨后在太陽系穿過時被地球“捕獲”？

突然變少的鐵-60

為了找出答案，在新的研究中，研究人員取用了295千克來自南極的冰芯，這些冰芯覆蓋的時間范圍為4萬至8.1萬年前，這大致對應于太陽系可能進入本星際云的時期。他們先將冰樣融化，提取其中的放射性核素，并使用質譜儀識別出了鐵-60和錳-53，而錳-53，會在宇宙射線撞擊行星際塵埃時，與鐵-60一同產生。

隨后，研究人員對單個鐵-60原子進行了計數。他們的預期是：根據此前對南極表層的雪和數千年歷史的海洋沉積物的測量，鐵-60的沉積量應當維持在某個相對穩定的水平。然而，通過將這些樣本中的鐵-60含量與此前的測量結果進行對比后發現，在4萬至8.1萬年前，到達地球的鐵-60明顯低于今天以及較近時期的水平。這表明，在那一時期，到達地球的星際塵埃更少。

這表明，太陽系過去可能處在一種鐵-60含量較低的星際介質中；或者這片星際云本身并不均勻，內部有的地方稀薄、有的地方致密。因此，鐵-60信號在短短幾萬年內就發生了變化——在宇宙時間尺度上，這一變化相當迅速。基于這一認識，研究人員得以排除關于鐵-60輸入來源的其他解釋，例如數百萬年前恒星爆炸留下的信號正在逐漸減弱這一說法。

大海撈針

在這項測量中，研究團隊使用了澳大利亞國立大學的重離子加速器設施（HIAF）——這是目前世界上唯一能夠探測如此微量鐵-60的設施。他們利用電場和磁場過濾器，根據原子質量分離掉不需要的原子，直到最初的10萬億個原子中只剩下寥寥幾個鐵-60原子。這是一項極其艱難的工作，就像是在5萬個裝滿干草、一直堆到屋頂的足球場里尋找一根針。

通過與國際同行多年的合作，研究人員開發出了一種極其靈敏的方法。如今，借助這種方法，他們能夠在地質檔案中探測到數百萬年前宇宙爆炸留下的清晰信號。

研究團隊已經在計劃開展進一步測量。他們的目標是分析一段年代更久遠的冰芯，也就是太陽系進入本地星際云之前形成的冰芯。他們相信，如果繼續分析更古老的冰層，也許就能進一步重建太陽系近域這些星際云，尤其是本星際云的來源和演化歷史。

#參考來源：

https://theconversation.com/stardust-trapped-in-antarctic-ice-reveals-tens-of-thousands-of-years-of-solar-systems-past-279745

https://physics.aps.org/articles/v19/s54

https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=77574&pNid=99

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/nxjq-jwgp

#圖片來源：

封面圖&首圖：Alfred-Wegener-Institute/Esther Horvath