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没有蛀牙,要感谢中微子

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  新研究发现,源于超新星爆发(图示,超新星爆发形成的仙后座A)的中微子制造出了宇宙中大部分的氟元素。图片来源:NASA/JPL-CALTECH/O. KRAUSE (STEWARD OBSERVATORY)

  每秒钟都有数万亿诞生于太阳中心的中微子穿过你的身体。但它们对你没有任何伤害,因为这些幽灵般的基本粒子几乎从不与物质相互作用。但据天文学家的研究,宇宙中大多数的氟元素都是由中微子制造出来的。氟也就是添加到牙膏或漱口水中用于预防龋齿的元素,此前它的宇宙起源一直是个谜。

  大部分化学元素都是由恒星通过某种方式制造出来的。氟元素原子序数为9,在元素周期表上位于氧和氖中间,但远比后两者稀少。一颗大质量恒星在其一生中会创造出大量的氧和氖,然后在爆发的时候把它们释放到太空中,因此这两种元素都很常见:氧的在宇宙中的丰度排第3,仅次于氢和氦,氖的含量则是第5或者第6。相比之下,氟元素实在是太稀少了,甚至排不进前20。

  有两位天文学家一直在寻找宇宙中氟元素的踪迹,他们是印第安纳大学布卢明顿分校(Indiana University, Bloomington)的Catherine Pilachowski与南犹他大学(Southern Utah University)的Cameron Pace。为了找寻一种讨厌的含氟气体——氟化氢(HF),他们用亚利桑那州基特峰(Kitt Peak)天文台的直径2.1米的望远镜观测了79颗恒星。“可怕的东西” Pilachowski说。吸入HF蒸汽对人来说是致命的,但是HF会吸收红外辐射,因而可能在恒星光谱上留下痕迹,这正是天文学家们所希望看到的。

  研究人员在51个目标上探测到了HF气体,这是目前为止发现含氟恒星最多的一次。正如Pilachowski和Pace在《天文学期刊》(The Astronomical Journal)9月刊中发表的论文所述,他们检测到的氟元素丰度如此之高,一定是中微子在超新星爆发时造出了其中绝大多数的氟元素。当一颗大质量恒星爆发时,会释放出1058个中微子,这些中微子携带着巨大的能量与恒星中的氖原子核相撞,敲掉对方的中子或质子,生成氟元素。天文学家们断定,虽然其他过程也能产生氟元素,但仅凭它们无法解释如此高的丰度。

  “这确实是前进了一大步。”瑞典隆德天文台(Lund Observatory)的天文学家Henrik Jönsson说,他并未参与到这项研究中。Jönsson认为Pilachowski和Pace的庞大样本数量让他们的结论更加可靠。这是价值很高的肯定,因为新的研究结果看来与Jönsson自己的工作相矛盾,之前他观测了数量较少的恒星,得出的氟元素丰度比较低。低丰度意味着所有的氟元素都可以通过不含中微子的核反应在不发生爆发的恒星上生成。明亮、年老的渐近巨星支恒星会同时燃烧氢和氦,天文学家已经发现它们会生成氟元素。当这些恒星消亡时,其外层物质和新生成的氟元素会被抛散到星系中。

  那么,恒星上的氟元素含量到底多还是少呢?答案取决于谁能准确测量恒星温度。因为HF分子高温下会分解,较热的恒星光谱上显示的HF量较少——哪怕它们与较冷的恒星氟含量一样。所以说,要想获得可靠的氟元素丰度值,天文学家们必须准确知道该恒星到底有多热。今年夏天,Jönsson利用基特峰天文台的一台更大的望远镜(直径约4m)观测了近100颗恒星,希望能准确测量其温度和HF含量。

  未参与这两个研究团队的天文学家,美国国家光学天文台的Verne Smith认为,这两项研究说明氟元素的两种起源都很重要。他推测,超新星中微子创造了地球上1/2到2/3的氟元素,这么说来,你可以为自己从未患上蛀牙而感谢那些通常无所事事的粒子。

  相关链接:刷牙的时候,细细品尝宇宙的味道

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