被困在南极古冰中的星尘

穿越一片星际云

在宇宙中，除了恒星、行星和卫星之外，还有很大一部分是充满了由气体、等离子体和星尘组成的云，它们被称为星际云。仅在太阳系近域，就分布着15个这样的星际云。在过去的数万年里，我们的太阳系正在穿越其中一个，它被称为本星际云。

太阳系穿越本地星际云的路径。星际云的轮廓以一种星际“指纹”的形式，保存在南极冰层之中。（图/B. Schröder/HZDR/ NASA/Goddard/Adler/U.Chicago/Wesleyan）

几年前，物理学家Dominik Koll及其合作者在形成时间不足20年的南极表层雪中，发现了一种由超新星产生的铁同位素——铁-60（⁶⁰Fe）。当时，研究人员推测，本星际云中含有铁-60，并且能够在很长时间内保存它。当太阳系穿过这片星际云时，地球可能收集到了这些物质。不过，这一猜测当时并未得到证实。

现在，在一项发表于《物理评论快报》的新研究中，Koll及其团队在更加古老的南极冰芯中，探测到了极其微量的铁-60，进而证实了最初的猜测。

藏在南极冰中的星尘指纹

恒星就像宇宙中的熔炉，会在核心中锻造出许多元素，从碳、氧，到钙和铁。其中也包括铁-60这样的稀有同位素。当大质量恒星在生命尽头爆发为超新星时，这些元素会被抛射到太空中，成为星际尘埃。这些尘埃中的微小颗粒随后在银河系中漂流，并偶尔抵达地球表面。放射性铁-60就嵌在这些颗粒之中，它是恒星爆炸留下的“指纹”。

通过在地球的地质档案中寻找这些原子，天文学家就能在超新星的光芒早已消散之后，继续探查这类天体物理事件。这正是南极之所以如此珍贵的原因：南极的积雪累积缓慢，而且基本未受扰动，从而形成了一份分层保存的记录，可追溯到数万年前。每一层都记录了当时存在于宇宙近域中的物质，就像留下了一张时间快照。

2019年，当研究人员在近代的南极雪样中意外发现了这种罕见的铁-60放射性同位素时，他们疑惑于这些同位素究竟它来自何处，因为近期的地球附近并没有发生超新星爆发。但还有另一种可能：太阳系的近域中分布着15个星际云，而太阳系目前至少正在穿越其中一个。那么，是否有可能这些星际尘埃一直“藏”在星际云中，随后在太阳系穿过时被地球“捕获”？

突然变少的铁-60

为了找出答案，在新的研究中，研究人员取用了295千克来自南极的冰芯，这些冰芯覆盖的时间范围为4万至8.1万年前，这大致对应于太阳系可能进入本星际云的时期。他们先将冰样融化，提取其中的放射性核素，并使用质谱仪识别出了铁-60和锰-53，而锰-53，会在宇宙射线撞击行星际尘埃时，与铁-60一同产生。

随后，研究人员对单个铁-60原子进行了计数。他们的预期是：根据此前对南极表层的雪和数千年历史的海洋沉积物的测量，铁-60的沉积量应当维持在某个相对稳定的水平。然而，通过将这些样本中的铁-60含量与此前的测量结果进行对比后发现，在4万至8.1万年前，到达地球的铁-60明显低于今天以及较近时期的水平。这表明，在那一时期，到达地球的星际尘埃更少。

这表明，太阳系过去可能处在一种铁-60含量较低的星际介质中；或者这片星际云本身并不均匀，内部有的地方稀薄、有的地方致密。因此，铁-60信号在短短几万年内就发生了变化——在宇宙时间尺度上，这一变化相当迅速。基于这一认识，研究人员得以排除关于铁-60输入来源的其他解释，例如数百万年前恒星爆炸留下的信号正在逐渐减弱这一说法。

大海捞针

在这项测量中，研究团队使用了澳大利亚国立大学的重离子加速器设施（HIAF）——这是目前世界上唯一能够探测如此微量铁-60的设施。他们利用电场和磁场过滤器，根据原子质量分离掉不需要的原子，直到最初的10万亿个原子中只剩下寥寥几个铁-60原子。这是一项极其艰难的工作，就像是在5万个装满干草、一直堆到屋顶的足球场里寻找一根针。

通过与国际同行多年的合作，研究人员开发出了一种极其灵敏的方法。如今，借助这种方法，他们能够在地质档案中探测到数百万年前宇宙爆炸留下的清晰信号。

研究团队已经在计划开展进一步测量。他们的目标是分析一段年代更久远的冰芯，也就是太阳系进入本地星际云之前形成的冰芯。他们相信，如果继续分析更古老的冰层，也许就能进一步重建太阳系近域这些星际云，尤其是本星际云的来源和演化历史。

#参考来源：

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

#图片来源：

封面图&首图：Alfred-Wegener-Institute/Esther Horvath