超新星之谜可能被藏在月壤之中

为什么要研究月壤？中国科学家，从月壤中发掘超新星之谜。

一项新技术让人们得以从月壤中得知有关星球生命历程的细节。

（图解：图片展示的蟹状星云是超新星残余物和月球，它们中藏着有关超新星之谜的谜底。）

一个来自中国原子能研究院的科研小组发现了一种新方法，这种方法可以研究恒星死亡原因，他们提出，超新星爆发的秘密可能被隐藏在遍布月球的月壤中。

这项研究能够帮助科学家们更好地认识到恒星是如何死亡的，并且是如何为他们的下一代恒星，其它的行星，月球，甚至是宇宙中的生命提供原材料的——或者至少，能让我们知道它们是何时来到地球的。

这项技术依赖于对月壤中一种铁的同位素的检测手段的改进，这种同位素在月壤中含量极低极为稀少，它于百万年前的几代大质量恒星的中心处形成。当这些恒星与引力进行着一场持续数百万（或者数十亿）年的“拔河比赛”，当恒星输掉比赛时，它们就会在超新星爆发中结束它们的生命，由此，这些同位素就会被释放出来，并且分散在宇宙中。同时，科学家们认为，它们也一定分布在了月壤中。

郭冰是中国原子能科学研究院的研究员，也是这个团队的领队，他在一次发言中说：“我们团队认为，精确追踪历史上的超新星事件的唯一方法就是不断土坯我们现有仪器所能达到的测量边界。”

【超新星在宇宙物质再循环中起到了什么样的作用呢】

在2亿到4亿年前宇宙大爆炸之后的第一代恒星形成的时候，宇宙主要由氢和微量的氦构成。在那时，比这两种元素重的元素少之又少，它们被天文学家称作“金属”（不知怎的有些令人疑惑）。

这就意味着第一代的恒星是由大量的氢，少量的氦和几乎没有的金属构成，并且这一代恒星有一个自相矛盾的名字：星族Ⅲ恒星。这些恒星的生命中，它们的核心处不断进行着核聚变，它们通过这样的途径将氢转化为氦，这也使得它们能够在宇宙中发出耀眼的光。同时，聚变的过程也能产生向外的辐射压力，这些压力能够避免自身向内的引力使它们坍缩。

不过，这也表明，当它们的核心的氢耗尽时，辐射压力和引力之间的平衡作用就会终止，引力成为最终赢家。于是此时，恒星的核就会坍缩，而它依然进行着核聚变的外层就会脱落逃逸。

（图解：这张信息图表展示了宇宙的进化过程，以及第一代恒星开始发光的时间。图源：STsci。）

对于质量和太阳相近的恒星，这样的坍缩会导致它们成为白矮星，曾经的恒星物质会形成逐渐扩散和冷却的云围绕着这些白矮星。不过，对于那些质量至少超过太阳八倍的恒星来说，它们的命途就不是如此了。

当这些大质量恒星坍缩时，其核内部产生的巨大压力会导致氦核聚变产生其他更重的元素。对于大多数大质量恒星，这个过程会不断重复，直到它的核被铁填满——一种恒星所能熔炼出的最重的元素。

在这之后，这颗大质量恒星的核会再次坍缩，由此就会引发超新星爆发。接着，恒星整个生命过程中产生的所有元素都为这次爆发所释放出来，并且会分散在周围的星系中。接着，这颗恒星会变成致密的恒星残余物——一颗中子星，或者，如果发生了完全的引力坍缩就会变成一个黑洞。

（图解：星族Ⅲ恒星与我们“富含金属”的太阳的成分对比。图源：STScl。）

然而，这还不是恒星熔炼元素的生命的尾声。这些物质会渠道星际气体或灰尘形成的云中，这些星际云最终也会坍缩，形成恒星或行星。

这就是为什么，随着时间的推移，后续的恒星代系会变得越来越“富含金属”。那些分散的物质也会融合进绕着恒星旋转的新生的行星和行星上可能会存在的任何一种生命形式中。因此，科学家说“你是宇宙的孩子”，这并不是空口说白话，这是事实。

不过，在上述的宇宙循环过程中，有一种示踪剂引起了这个团队的兴趣，这种示踪剂不是恒星生命周期中锻造的元素，而是超新星期间产生的稀有同位素。

【铁-60：从超新星到月球】

原子由三种粒子组成：在原子核中带正电的质子，不带电的中子，以及原子核“绕转”的带负电的电子。元素是根据它们原子核中质子的个数定义的。也就是说，有六个质子的就是碳，再多一个质子就会变成氮。但是，同种元素的中子数却是可以有很多变化的。

一个碳原子可以有六个质子和六个中子、六个质子和七个中子、六个质子和八个中子。这些同一元素的不同的原子类型被称为元素的“同位素”。六个质子六个中子的碳叫做“碳-12”，而六个质子八个中子的碳叫做“碳-14”。

某些同位素，尤其是比较重的那些，常常是不稳定的，会经历一种叫做“放射性衰变”的过程。对于某种放射性同位素，它通过放射消耗掉初始量的一半所需的时间叫做“半衰期”。

当超新星爆发的时候，它会在几秒内释放出太阳要花十亿年才能释放出的能量，而这就为熔炼出重的同位素提供了条件。这个研究团队就正在改进从月壤中提取到“铁-60”这种放射性同位素的方法。

（图解：大质量恒星在超新星爆发中死亡的想象图。图源：ESO/L. Calçada）

铁的原子核中含有26个质子和34个中子，它的半衰期大约为230万年。尽管一颗超新星能够创造出相当于地球质量十倍的铁-60，但是在太阳系中这种同位素的产生确实少之又少的。科学家们预测，在整个银河系中，超新星爆发大概每一百年发生三次，而其附近的恒星爆发更是少见，大约每一百万年一次。

在地球或者月球上发现铁-60是一个好的迹象，它意味着在我们地球最近46亿年的历史中，在离太阳系相对较近的地方——可以说是大约100光年以内——曾发生过超新星爆发。

（图解：水母星云（IC 443）是最近的超新星遗迹之一，也是数百万年前可能给地球留下了铁-60的一个例子。图片来源：NASA/JPL加州理工学院/WISE团队。）

对低敏感度的光谱仪来说，铁-60的稀少和其它更常见的元素的干扰让探测这种含量极低的元素充满了挑战性。为了克服这一点，郭教授和他的同事对中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器设施进行了调整，其中包括加入了一个维纳滤波器，这是一种能够用来选择具有特定速度的带电粒子的仪器，从而成为了一种质谱仪（AMS）。

研究小组发现，AMS能够检测模拟样本中的铁-60，其灵敏度远远超出了通常研究所使用的技术所能达到的灵敏度。

中国原子能科学研究院的这个团队认为，他们现在有可能进一步提高AMS系统的检测灵敏度，这一发展将会大大提高我们对恒星在超新星爆发中的死亡的认识，这样我们就可以在恒星死亡时生存了。