你的牙膏中，藏着宇宙奥秘

拿起牙膏的外包装盒，你可能会在成分中看到“氟化钠”之类的字眼。正如我们知道的那样，氟是一种对牙齿健康很重要的元素，它能强化牙釉质，有助于防止蛀牙。然而，牙膏可能并不会激发你太多的想象力，但就像地球上所有的东西一样，从平凡到伟大，氟化物——这个与微笑有关的故事，也有着它的宇宙起源。在一项发表于《自然-天文学》上的新研究中，天文学家揭示了它的起源故事。

 

事实上，所有的自然元素都诞生于很久以前的宇宙中。氢是其中最古老的一种元素，它形成于宇宙大爆炸后不久。在大爆炸的几分钟内，氦、氘、锂这些较轻的元素也在大爆炸核合成过程中形成了。自那之后，几乎所有的其他元素都是在与恒星的生死有关的过程中形成的。

氟是核天体物理和恒星天体物理学中最有趣的元素之一。1992年，科学家首次对太阳以外的其他恒星进行了氟丰度测量。在那之后，天文学家又测量了少数几个可能形成于早期宇宙的贫金属星的氟丰富。

在新研究中，天文学家利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA）观测了一个名为NGP-190387的遥远星系。透过ALMA，天文学家能够看到遥远星系中的寒冷尘埃和气体所发出的光。他们的观测数据揭示了一些意想不到的信息：光线在1.32毫米波的波长处出现了下降。

这正好与由一个氢原子和一个氟原子组成的氟化氢分子吸收的光的波长相对应。这一下降暗示了这个星系中有氟化氢气体云存在。这些光束经过了120亿年才抵达到望远镜中，因此让我们看到了在年轻宇宙中的星系的样子。

这一结果令天文学家十分兴奋，因为它为星系在最初形成后不久的化学元素提供了信息。从新研究中，他们发现即使在如此早期的时候，NGP-190387中也有高丰度的氟。虽然在此之前，天文学家已经在遥远星系中观察到了如碳、氮、氧之类的其他元素，但这是首次在如此遥远的产星星系中检测到氟。

在早期星系中观察到的元素种类越多，就越有助于我们理解当时的化学物质的富集过程。目前，天文学家已知在宇宙中有几种不同的过程可以导致氟的产生，例如在核心坍缩超新星爆炸中，在一些已经燃烧了核心中的大部分氢和氦的渐近巨分支恒星（接近生命终点的红超巨星）中，等等。

通过使用那些描述了元素如何在恒星和超新星中形成的模型，研究人员可以预计出从这些来源中所能够产生的氟的量。在新研究中，他们发现，NGP-190387中的氟含量太高，现有的超新星模型和渐近巨型分支恒星模型无法对这样的高含量加以解释。这意味着这个星系中的氟应该还有额外的来源。

 由哈勃空间望远镜拍摄到的沃尔夫-拉叶星WR 124周围的M1-67星云。| 图片来源：Hubble / ESA

研究人员认为，一种名为沃尔夫-拉叶星（WR型星）的恒星是一种可能的氟来源。

沃尔夫-拉叶星非常罕见，在银河系中只有几百颗。它们是非常极端的恒星，是质量在太阳质量10倍以上的大质量恒星的生命周期中的一个阶段。在它们短暂的生命即将结束时，这些恒星在其核心燃烧氦，这时它们的亮度是太阳的数百万倍。不同寻常的是，沃尔夫-拉叶星已经在强星风下失去了它们的氢外壳，只留下氦核暴露在外。最终，它们会以壮烈的核心坍缩超新星的方式爆炸。

当研究人员将沃尔夫-拉叶星中的氟含量加入模型中时，他们得到了可以解释来自NGP-190387的光线下降的结果。

一直以来，天文学家对于恒星在最早期的化学演化仍知之甚少，而这些问题是非常重要的，因为随着恒星的诞生和死亡，它们产生的元素会分散到整个星系甚至更远的地方。许多年后，其中的一些元素会形成像地球这样的新行星。

越来越多的证据表明，在早期宇宙中，星系的增长速度快得惊人，那时恒星的形成和化学物质的富集都处于井喷式的状态，这些过程为我们今天所看到的宇宙奠定了基础。现在，新的研究结果再次为这种观点增添了新的证据，也为120亿年前的天体物理学提供了新的详尽见解。与此同时，最重要的是，它表明了和我们的微笑有关的故事，像时间一样古老。

#创作团队：

原文：James Geach（赫特福德郡大学天体物理学教授）

编译：不二北斗

#参考来源：

https://theconversation.com/your-smiles-cosmic-history-we-discovered-the-origin-of-fluoride-in-early-galaxies-169562

https://www.nature.com/articles/s41550-021-01515-9

#图片来源：

封面图：Nasa/Judy Schmidt, CC BY-SA

本文经授权转载自微信公众号：原理（ID：pricipia1687）

编辑：六块钱的鱼