寻找星尘：陨石如何改写太阳系的起源故事

在陨石中发现的太阳系前颗粒，其尺寸比细菌细胞还要小。

关于太阳系起源的标准叙事一直是这样的：46亿年前，一大片尘埃云冻结在太空中。随后，附近一颗恒星的爆炸导致这片尘埃云的一部分坍缩。在引力作用下，尘埃向中心点汇聚，凝聚成一个直径约140万公里的发光氢氦球——这就是后来的太阳。剩余的物质进入轨道，聚集成了太阳系的行星，以及大量的幼年小行星和其他宇宙残留物。

为了验证这个故事的真实性，研究人员需要回溯到太阳系最初的时刻，甚至更远。宇宙化学家刘楠（Nan Liu，音译）有一种方法可以做到这一点：在波士顿大学天体物理研究所她的办公桌保险柜里，锁着一块陨石碎片，上面点缀着比太阳还要古老的物质。

“这是最原始的[类型]陨石，没有经过水或热的改性，”刘楠一边说着，一边取出并举起标本——那是一块闪闪发光的深色石头，大小和形状像个箭头。

像这样的陨石形成于尘埃云坍缩的时期。尘埃云的坍缩和太阳的点火融化了陨石中包含的大部分化学信息，但其中一些微观晶体——比单个细菌细胞还要小——完好无损地幸存了下来。这些晶体被称为太阳系前颗粒（presolar grains），是目前地球上能够获取的最古老的物质。

波士顿大学天体物理研究所的宇宙化学家刘楠举起一块包含太阳系前物质颗粒的陨石碎片。James Dinneen 为《量子杂志》拍摄

在过去的十年左右，科学家们利用像刘楠手中这样的陨石挑战了太阳系形成的传统故事。太阳系及其中的一切可能并非源于超新星爆发，而是归功于一种听起来更平静的宇宙场景：也许我们的太阳系是从一颗巨型恒星吹出的恒星风中拼凑而成的。对太阳系前颗粒的新研究可能提供一种方法，来确定这个新故事是否正确。

始于大爆发

1969年，一颗火球出现在墨西哥上空，科学家们从中获得了关于触发太阳系形成因素的第一条线索。这块现在著名的阿连德（Allende）陨石将其碎片撒在了超过500平方公里的土地上。

1976年，研究人员报告称，阿连德陨石样本中包含一个惊喜：异常大量的稳定同位素镁-26。他们提出，该陨石在形成时含有丰富的铝-26，这种同位素具有放射性，衰变后会留下镁-26。

然而，铝-26此前并不被认为是星际介质（即为阿连德陨石提供物质的恒星间尘埃空间）的常态组成部分。普通的恒星不会产生这种特定的同位素。“我们在早期太阳系中观察到的大多数同位素，都只是银河系化学演化的自然产物，”匈牙利孔科利·塞格·米克洛什天文研究所的天体物理学家玛丽亚·卢加罗（Maria Lugaro）说。“最重要的例外就是铝-26。”

阿连德陨石的碎片降落在墨西哥奇瓦瓦州各地。Matteo Chinellato

那么它从何而来？1977年，两位著名的天体物理学家提出，这种异常的铝很可能来自附近的超新星爆炸。其他现象也可以产生铝-26，但超新星冲击波还可以导致尘埃云的坍缩。通过这单一事件，天文学家可以解释铝-26的注入和新太阳系的形成这两件罕见的事是如何在几乎同一时刻发生的。“每个人都觉得我们需要某种东西来触发坍缩，”芝加哥大学天文学家维克拉姆·德瓦卡达斯（Vikram Dwarkadas）说。

超新星触发论在几十年间一直是首选场景，得到了详细的天体物理模型以及对原始陨石中富集镁-26的进一步测量的支持。但在过去十年左右的时间里，这种观点遇到了一些与之不符的其他测量结果。问题在于：太阳系存在“缺铁症”。

并非“铁证如山”

超新星不只产生铝。任何附近的超新星也很可能注入大量的放射性同位素铁-60。因此，如果超新星启动了太阳系的形成，“我们应该在早期形成的物体中看到相当高的初始[铁-60]丰度，”哥本哈根大学宇宙化学家方琳茹（Linru Fang，音译）在邮件中写道。

一些研究报告称，在陨石样本中发现了足以支持超新星故事的铁-60。但并非所有科学家都认同这些发现；几位研究人员告诉《量子杂志》，大多数宇宙化学家现在认为，虽然太阳系开始时有丰富的铝-26，但其实并没有多少铁-60。

去年年初，在被作者描述为迄今为止对早期太阳系铁-60最精确测量的一项研究中，方琳茹及其同事报告称，在尘埃云坍缩后不久形成的一个微行星（planetesimal）中，铁-60的含量极低（通过其稳定的衰变产物镍-60测量）。她说，这一结果与超新星场景不一致。

船帆座超新星遗迹是在恒星超新星爆炸后形成的。Alan Dyer/Stocktrek Images/Science Source

研究人员对缺失的铁提出了各种解释。华盛顿卡内基科学研究所的天文学家艾伦·博斯（Alan Boss）在邮件中写道：“陨石研究者是著名的好辩之徒。对于某人声称的任何情况，似乎总能找到反例。”

例如，铝可能从超新星中喷射了出来，而铁——来自恒星核心更深处——可能掉回了死去的恒星中。或者，爆炸可能来自一颗奇特的超新星，它根本没有产生铁-60。还可能是铁-60在尘埃云中分布不均，这意味着单个陨石的测量结果并没有向我们展示全貌。

德瓦卡达斯将这些解释斥为“敷衍”的尝试，认为它们是在微调模型以匹配数据，而不是寻找更普遍的解决方案。“很多人似乎已经接受了‘它不是超新星’这个观点，”他说。

但如果太阳系不是始于超新星，那它从哪儿得到了那么多铝呢？

诞生于气泡中

许多研究人员现在倾向于的一种可能性是：铝-26是由沃尔夫-拉叶星（Wolf-Rayet star）的风输送而来的。

与我们的太阳相比，沃尔夫-拉叶星寿命短得多，体积大几十倍，亮度高几千倍。当一颗恒星的外层氢包层被另一颗恒星的引力剥离，或被其自身强大的恒星风吹走时，它就会变成沃尔夫-拉叶星。

沃尔夫-拉叶星暴露的核心可以发出速度高达每秒3000公里的恒星风。德瓦卡达斯说：“它基本上像扫雪机一样扫过周围的物质。”这些被扫起的物质在恒星周围形成一个外壳，跨度可达100光年。这个在沃尔夫-拉叶星周围创造出一个“气泡”的外壳，其密度比周围的星际介质高出数万倍。

海豚头星云是一颗被估计跨度为60光年的气泡包围的沃尔夫-拉叶星。

这个外壳包含足够的物质来建造一个太阳系。它应该含有大量的铝-26，而且——至关重要的是——它含有的铁-60应该非常少。“我一直在寻找一颗只产生铝-26的恒星，”卢加罗说。“我们能只制造出铝-26的地方，就是在这些大质量恒星的风中。”

德瓦卡达斯说，天文学家已经观察到太阳大小的恒星在沃尔夫-拉叶星的外壳内形成。据他估计，银河系中多达16%的类太阳恒星可能是通过这种方式形成的。他说：“如果这是真的，没有理由认为它只适用于我们的太阳系。我们的太阳系将不再是唯一的特殊案例。”

德瓦卡达斯及其同事提出了或许是目前最完备的模型，阐述了沃尔夫-拉叶星的恒星风如何在其形成过程中将铝-26喷射到我们的太阳系。德瓦卡达斯说，在那之后，寿命仅有几百万年的沃尔夫-拉叶星最有可能坍缩成了黑洞，尽管相关的证据早已消失。

卢加罗表示，沃尔夫-拉叶星假说也存在问题。例如，沃尔夫-拉叶星创造的环境能量极高，本应将我们初生的太阳系撕碎。

博斯仍然支持尘埃云是被超新星点燃的理论。卢加罗则不赞同。她说：“目前，从核物理的角度来看，我倾向于沃尔夫-拉叶星的风。”不过她表示，下周出现的新信息可能会让她改变主意。“这是一个需要从不同角度看待的问题。我们对此仍有一些争论。”

“垂钓”搜寻

在波士顿，刘楠将陨石放回保险柜。她在电脑上打开了纳米探针（nanoprobe）显微镜的实时视图，这种设备可以测量微小物质块的化学成分。她和其他研究人员正在利用该设备研究溶解在酸中的陨石碎片，寻找化学成分符合沃尔夫-拉叶星来源特征的颗粒。

刘楠远程操作着位于华盛顿特区的纳米探针，仔细审视着散布在金箔场上的陨石碎片。“这就像是一场垂钓远征，”刘楠说。她的下一步，假设她能找到足够多化学成分符合沃尔夫-拉叶星特征的颗粒，将是测量它们是否显示出铝-26富集的迹象。这些化学信息随后可用于约束关于太阳系起源的沃尔夫-拉叶场景的天体物理模型。

刘楠承认，即使存在这样的颗粒，也不足以成为沃尔夫-拉叶星理论的“绝杀证据”；例如，富含铝的尘埃可能是由更古老的恒星在太阳系形成前很久产生的。但如果没有这类颗粒，则意味着沃尔夫-拉叶的想法是错误的。

她注视着正在工作的纳米探针，探寻着数十亿年前的往事。刘楠说，研究这些颗粒让她对导致地球存在的独特环境有了新的认识。“如果你思考这些放射性同位素——这些构成岩石的元素和构成生命的元素，”她说，“当你了解它们是如何在恒星中产生时，你会意识到获得恰到好处的数量并不容易。你必须在正确的时间和地点形成。”

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重要术语翻译对照表

英文术语	中文翻译	备注
Solar System	太阳系
Supernova	超新星
Meteorite	陨石
Presolar Grains	太阳系前颗粒 / 前太阳颗粒	形成于太阳诞生之前的矿物颗粒
Cosmochemist	宇宙化学家
Isotope	同位素
Aluminum-26 ($^{26}$Al)	铝-26	放射性同位素，早期太阳系的重要热源
Magnesium-26 ($^{26}$Mg)	镁-26	铝-26衰变后的稳定产物
Iron-60 ($^{60}$Fe)	铁-60	超新星产生的标志性同位素
Interstellar Medium (ISM)	星际介质	恒星之间的物质
Wolf-Rayet Star	沃尔夫-拉叶星	一种演化后期的大质量恒星
Solar Winds	恒星风 / 太阳风	恒星喷射出的高速带电粒子流
Planetesimal	微行星 / 星子	行星形成初期的原始天体
Nanoprobe	纳米探针	文中指用于测量同位素丰度的设备（如NanoSIMS）
Chemical Evolution	化学演化	元素在宇宙中随时间丰度变化的过程