南极雪中发现星尘来自何方？

诸平

Scientists Discover Star Dust in Antarctic Snow

Researchers in Antarctica turned up a large amount of a form of iron likely forged in nearby supernova explosions.

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Scientists melted down more than 1,000 pounds of snow from Antarctica and found evidence that the leftover pieces of iron that they found were forged outside of our solar system.

回来已经整整一个月了，一致定不下心来更新自己的博客，今天宝鸡下雨，天气凉快多了，坐下来看看科学新闻，写一点读后感，仅供参考。

据美国物理协会科学内幕（Inside Science, American Institute of Physics）2019年8月20日（当地时间）提供的消息，在德国南极考察Kohnen站（Kohnen Station）附近的积雪样品中发现了⁶⁰Fe (iron-60)。

一组科学家从南极洲带回500公斤的新鲜雪样品，将其融化，并过滤掉残留的颗粒。对其进行分析，分析结果令人惊讶:雪中含有大量的铁元素⁶⁰Fe (iron-60)，而这些铁元素并不是地球上自然产生的。

其他科学家此前也在深海地壳中发现了同样稀有的铁同位素⁶⁰Fe (iron-60)。这种被称为Fe-60(iron-60)的元素比地球上最常见的Fe元素多4个中子。但是地壳中的铁60很可能在数百万年前就在地球表面定居下来了，这与南极洲在过去20年里积累的新鲜雪样品中发现的铁60形成了鲜明的对比。

这项研究的主要作者是来自澳洲堪培拉的澳大利亚国立大学(Australian National University in Canberra)的物理学家多米尼克·科尔(Dominik Koll)。多米尼克·科尔说：“这是首次有证据表明，有人最近在南极积雪样品中看到了一些Fe的同位素。”相关研究结果已经于2019年8月12日，在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表——Dominik Koll, Gunther Korschinek, Thomas Faestermann, J. M. Gómez-Guzmán, Sepp Kipfstuhl, Silke Merchel, and Jan M. Welch. Interstellar ⁶⁰Fe in Antarctica. Physical Review Letters, 2019, 123: 072701 – Published 12 August 2019. DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.072701

从尘埃到流星，外层空间的物体经常落到地球上，但它们通常由与地球相同的材料构成，因为太阳系中的所有物体，包括太阳本身，都是由数十亿年前相同的构件组装而成的。由于⁶⁰Fe不在这些常见物质之列，它一定是从太阳系以外的某个地方来的。

美国哈佛大学的天文学家Avi Loeb说：“(星际)流星是非常罕见的事件。然而，流星的尺寸越小，其数量就越多”。尘埃颗粒应该更频繁地落在地球表面，但从周围无数的其他颗粒中要把它们挑出来是一项艰巨的任务。但在南极，研究人员需要考虑这些⁶⁰Fe的同位素可能来源于地球，比如核电站和核武器试验等。多米尼克·科尔和他的同事估计了核反应堆、核武器试验以及2011年福岛核电站灾难等核事故能产生多少⁶⁰Fe，他们的计算结果微乎其微。通过研究其他同位素，如⁵³Mn，他们还排除了宇宙射线的任何重要贡献。因为宇宙射线与尘埃和陨石相互作用时会产生⁶⁰Fe。

多米尼克·科尔说:南极雪样品中留下来的铁同位素含量是他们预期的数百倍。“这的确让人难以置信”。美国马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts）的地球化学家Bernhard Peucker-Ehrenbrink也认为，科尔的团队显然发现了大量星际铁。“进行这些测量非常困难。你实际上是在计算单个原子，”同时衡量背景辐射的贡献。他说:“从半吨冰中提取这种物质并非易事。”

科尔和他的同事们关注铁的同位素⁶⁰Fe ，是因为它非常罕见，但也不是很稀有，而且其寿命很长，半衰期为260万年。许多其他可能来自星际陨落岩石的同位素并非如此稳定，半衰期如此之短，以至于科学家无法在它们衰变消失之前找到它们。

除了所有的光和热，恒星在其一生中还会抛出各种各样的微小粒子。但当恒星较年轻时，它们通常会释放出较轻的“金属”，比如碳和氧。这是因为天文学家倾向于把比氦重的元素称为“金属”。随着老化，大质量恒星和某种类型的超新星发生爆炸，经过数千年的时间将大原子核融合成更大的原子核，可以喷出更重的金属粒子，包括⁶⁰Fe和⁵⁶Fe。铁通常是一颗恒星在产生能量的同时所能产生的最后一种元素。然而，只有比太阳大几十倍的恒星才能形成铁同位素，这意味着在南极洲发现的⁶⁰Fe来源于太阳系之外。

科尔说:“它一定是一颗超新星，离我们还没有近到足以杀死我们的地步，但也没有远到在太空中被稀释到无影无踪的程度。”

这意味着我们的星球很可能是在穿越星际云(也被称为局部绒毛)的过程中收集到这些散落的粒子的。这一跨越30光年的区域，是太阳系目前正在穿越和即将离开的区域，很可能是由大质量恒星爆炸形成的，它们将外层的热气体吹向太空。然而，在我们的恒星附近现在还没有超新星爆发，因此很难确定富含同位素的尘埃究竟来自何处。科尔希望更多的数据，比如深入更深、更古老尘埃的冰芯，能够为这个故事增添更多的内容。这样的研究将进一步探索过去，并能更精确地揭示这种外来尘埃何时开始散布在我们的星球上。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Interstellar iron isn't missing, it's just hiding in plain sight

ABSTRACT

Earth is constantly bombarded with extraterrestrial dust containing invaluable information about extraterrestrial processes, such as structure formation by stellar explosions or nucleosynthesis, which could be traced back by long-lived radionuclides. Here, we report the very first detection of a recent $60\mathrm{Fe}$ influx onto Earth by analyzing 500 kg of snow from Antarctica by accelerator mass spectrometry. By the measurement of the cosmogenically produced radionuclide $53\mathrm{Mn}$, an atomic ratio of $60\mathrm{Fe}/53\mathrm{Mn}=0.017$ was found, significantly above cosmogenic production. After elimination of possible terrestrial sources, such as global fallout, the excess of $60\mathrm{Fe}$ could only be attributed to interstellar $60\mathrm{Fe}$ which might originate from the solar neighborhood.