宇宙塵埃是恒星、行星和生命本身化學(xué)演化的關(guān)鍵，但它的組成還不是很清楚，目前也還不能收集樣本進(jìn)行分析。有幾個(gè)例子以隕石中的行星際塵埃和彗星塵埃形式到達(dá)地球，但它們復(fù)雜的歷史意味著可能不具代表性。

因此，研究宇宙塵埃性質(zhì)的主要方法是天文觀測(cè)和模擬物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。宇宙塵埃大致分為煙灰狀碳顆粒和更豐富的耐火硅酸鹽顆粒，這兩種顆粒都是從垂死恒星中噴出的。

觀測(cè)告訴我們，紅巨星周圍的塵埃中既有無(wú)定形硅酸鹽，也有結(jié)晶硅酸鹽。但星際介質(zhì)(ISM)中只有無(wú)定形硅酸鹽。在發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》期刊上的研究中，由斯蒂芬·湯普森博士領(lǐng)導(dǎo)的一組鉆石研究人員證明：微波干燥可用于廉價(jià)且容易地生產(chǎn)無(wú)定形Mg-Fe硅酸鹽。然后通過(guò)原位熱退火研究了結(jié)晶情況，并在模擬原行星圓盤中的塵埃顆粒背景下考慮了結(jié)果。塵埃是最早形成的固體物質(zhì)，研究宇宙塵埃是天體物理學(xué)中一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域。

我們不能精確地復(fù)制地球上宇宙塵埃的形成條件，也沒(méi)有一種在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生類似塵埃樣本的方法，可以模擬在恒星周圍和星際介質(zhì)中觀察到的所有塵埃。然而，通過(guò)創(chuàng)建和表征這些樣本，并將它們與天文數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出相似之處和不同之處，增加了對(duì)宇宙對(duì)應(yīng)物的形成、組成和演化的理解。其中溶膠-凝膠法是一種從小分子制備固體材料的化學(xué)方法。溶膠-凝膠的稠度類似于護(hù)手霜，必須干燥才能形成灰塵樣品。

風(fēng)干大約需要24小時(shí)，對(duì)于希望生產(chǎn)多個(gè)樣品的研究人員來(lái)說(shuō)，這是非常耗時(shí)的。生產(chǎn)類似塵埃樣品另一個(gè)挑戰(zhàn)面是鐵的夾雜，鐵在地球上往往會(huì)形成在太空中看不到的鐵銹(氧化鐵)。雖然在恒星和行星中看到了鐵的證據(jù)，但在星際介質(zhì)中沒(méi)有看到它，這就是“缺鐵”問(wèn)題，一種可能的解釋是納米顆粒中的鐵太小而看不見(jiàn)。另一個(gè)原因是鐵被“鎖在”硅酸鹽礦物中，數(shù)量太少(不到10%)，不會(huì)影響塵埃的光譜特性。

使用溶膠-凝膠將鐵結(jié)合到硅酸鹽結(jié)構(gòu)中需要特殊的干燥條件，研究團(tuán)隊(duì)之前曾開發(fā)出一種真空干燥過(guò)程。然而，這項(xiàng)研究工作從頭到尾都需要幾天時(shí)間才能完成。因此，研究人員研究了是否可以加快模擬樣品的生產(chǎn)，并使用現(xiàn)成方法生產(chǎn)含鐵的硅酸鹽粉塵。研究小組研究了含鐵和不含鐵的微波干凝膠，并用X射線粉末衍射和光束線I11上的總X射線散射、I22上的小角X射線散射和中紅外FTIR光譜研究了它們的性質(zhì)。

并將微波干燥的樣品與相同凝膠生產(chǎn)的樣品進(jìn)行了比較，但使用傳統(tǒng)空氣烘箱和真空爐進(jìn)行了常規(guī)干燥。研究結(jié)果表明，這是一種制作模擬粉塵樣品的優(yōu)良、快速、簡(jiǎn)便、廉價(jià)的方法。該研究小組希望它能被其他地方的實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家采用，但它也可以有工業(yè)應(yīng)用，例如作為生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)材料的一種手段。這項(xiàng)研究的下一階段是研究非晶態(tài)樣品在受熱時(shí)會(huì)發(fā)生什么。觀測(cè)顯示，老恒星噴出無(wú)定形硅酸鹽礦物。一旦進(jìn)入星際介質(zhì)，它們最終會(huì)進(jìn)入恒星形成區(qū)域，并積聚在原行星盤中。

即圍繞年輕恒星旋轉(zhuǎn)的致密氣體和塵埃盤。在原行星盤盤中，塵埃顆粒被加熱，并最終結(jié)晶成可識(shí)別的礦物。因此，原行星盤代表了恒星誕生和行星形成之間的演化階段。原行星盤離恒星越近越熱，所以了解這些礦物結(jié)晶的溫度，可以告訴我們它們會(huì)在圓盤中的什么位置，以及它們?cè)谀抢锎袅硕嚅L(zhǎng)時(shí)間。發(fā)現(xiàn)即使向硅酸鹽礦物中添加少量的鐵，也會(huì)極大地提高它們的結(jié)晶溫度。事實(shí)上，在整個(gè)圓盤的大部分地區(qū)，任何含鐵的硅酸鹽都將保持無(wú)定形狀態(tài)。

這與天文學(xué)家的觀測(cè)結(jié)果相符，即大多數(shù)都存在富含鎂的礦物。還發(fā)現(xiàn)在不含鐵的硅酸鹽中形成了少量微晶石(一種高溫二氧化硅礦物)。同樣，在原行星盤中也觀察到了少量的SiO2，更重要的是，在星塵樣本返回任務(wù)中發(fā)現(xiàn)的早期太陽(yáng)系彗星物質(zhì)中也發(fā)現(xiàn)了SiO2。作為太陽(yáng)系中形成的第一個(gè)小行星，彗星長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是我們太陽(yáng)系形成過(guò)程中遺留下來(lái)的物質(zhì)儲(chǔ)存庫(kù)，這一過(guò)程本應(yīng)從太陽(yáng)的原行星盤開始。

博科園｜研究/來(lái)自：Diamond Light Source

參考期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》

DOI: 10.1051/0004-6361/201834691

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