磷是新星爆發(fā)產(chǎn)生的——逼近必需元素的起源—— 新聞發(fā)布會(huì) NAOJ Logo 日期: 2024年5月10日 辻本拓司(國立天文臺(tái)JASMINE項(xiàng)目助教) 戶次賢治(西澳大利亞大學(xué)國際射電天文學(xué)研究中心教授) 發(fā)布概述 磷是合成基因不可缺少的元素。 那個(gè)到底是在宇宙的哪里制造的，我們至今沒有明確的答案。 這次，查明了恒星進(jìn)化的最后階段殘留的白矮星中最重的星星的表面產(chǎn)生的爆炸會(huì)合成大量的磷。 此外，研究還表明，46億年前太陽系誕生時(shí)，其爆炸頻率，即向宇宙的磷供應(yīng)率比現(xiàn)在高。圖1 :從新星爆炸產(chǎn)生磷到地球生命( DNA )誕生的概念圖。 新星是由白矮星和演化恒星構(gòu)成的連接星系中，來自恒星的氣體降落在白矮星表面而產(chǎn)生的爆炸現(xiàn)象。 在那個(gè)時(shí)候的核聚變反應(yīng)中會(huì)合成大量的磷。 在這次新星爆炸中合成的磷，不久就作為宇宙塵埃和隕石的一部分降落到地球上，合成了遺傳因子DNA等，被認(rèn)為促成了生命的誕生。 (信用:國立天文臺(tái)) 發(fā)表內(nèi)容 磷元素是生命中不可缺少的非常寶貴的元素。 因?yàn)榱讓?duì)于制造基因DNA、RNA和細(xì)胞膜是不可缺少的。 因?yàn)樯锏纳眢w是由細(xì)胞構(gòu)成的，所以那個(gè)所有的細(xì)胞都含有磷。 那么，到底磷是怎么制造出來的呢？ 所有的元素都是通過宇宙的誕生和進(jìn)化產(chǎn)生的。 也就是說，一切都是宇宙起源。 最初在宇宙誕生的同時(shí)制造了氫。 這種氫是應(yīng)該成為所有元素原點(diǎn)的原材料，出現(xiàn)了元素創(chuàng)制的呼聲。 然后，在宇宙誕生幾億年的時(shí)間過后，宇宙中就會(huì)誕生第一顆星星。 在那個(gè)星球上，碳和氧等以前在宇宙中不存在的新元素一個(gè)接一個(gè)地被產(chǎn)生出來。 那顆星星不久也會(huì)迎來死亡。 根據(jù)伴隨著這個(gè)星球死亡的星球大爆炸為代表的現(xiàn)象，元素向宇宙開放。 這顆星球的大爆炸被稱為超新星。 由于超新星這一伴隨著星星死亡的現(xiàn)象，由星星在一生中形成的元素和爆炸時(shí)合成的元素構(gòu)成的各種各樣的元素被散布到宇宙空間中。 以前認(rèn)為磷也會(huì)被這顆超新星合成并釋放出來。 也就是說，一直以來，我們體內(nèi)的磷都來自超新星。 但是，我們也知道，用這個(gè)“磷超新星起源說”無法解釋觀測(cè)事實(shí)。 我們可以通過從星星的分光觀測(cè)到化學(xué)組成的測(cè)量，了解銀河系(銀河系)中磷的存在量(氣體中的磷含量)從古至今是如何變化的。 星星上從非常古老的超過100億歲的東西到剛出生的年輕星星都存在。 這些星星的化學(xué)組成告訴我們這些星星誕生時(shí)銀河中各種元素的存在量。 也就是說，通過測(cè)量許多不同年齡星球的磷含量，可以知道在銀河系100多億年的歷史中，磷的量是如何變化的，也就是說——磷的化學(xué)進(jìn)化。 像這樣通過觀測(cè)明確了的磷的化學(xué)進(jìn)化，用超新星起源說完全無法解釋。 超新星預(yù)測(cè)的磷合成量完全不足觀測(cè)所期待的量。 人們普遍認(rèn)為，其原因可能是超新星的元素合成理論模型的某種問題，因此，解決這一問題的努力被擱置了多年。 在這種情況下，西澳大利亞大學(xué)和國立天文臺(tái)的國際共同研究小組預(yù)測(cè)，除了超新星以外，可能還有其他合成磷的天體，然后繼續(xù)進(jìn)行研究。 并查明了這個(gè)天體是“新星”。圖2 :表示銀河系中磷對(duì)鐵的比率歷時(shí)120億年進(jìn)化的觀測(cè)結(jié)果，以及為解釋該結(jié)果而此次闡明的理論方案。 磷進(jìn)化的歷史可以大致分為3個(gè)時(shí)代。 觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示出各個(gè)星球中鐵的量和磷鐵比的相關(guān)。 藍(lán)色數(shù)據(jù)是通過近紫外線觀測(cè)獲得的，不是從地面觀測(cè)，而是從宇宙觀測(cè)-哈勃太空望遠(yuǎn)鏡獲得的。 另一方面，紅色數(shù)據(jù)是通過地面近紅外線觀測(cè)得到的，但由于磷的吸收線非常弱，觀測(cè)目標(biāo)僅限于金屬量高的星球。 由于超新星比新星更早開始貢獻(xiàn)化學(xué)進(jìn)化，所以初期的磷全部來自超新星。 另外，新星的發(fā)生頻率依賴于金屬量，有越少發(fā)生頻率越高的傾向。 Ia型超新星是與重星爆炸的超新星不同種類的超新星，會(huì)釋放出很多鐵，但不會(huì)合成磷。 因?yàn)楸ㄐ枰獣r(shí)間，所以無助于銀河形成初期，促進(jìn)80億年前以后的化學(xué)進(jìn)化。 (轉(zhuǎn)載自Bekki & Tsujimoto 2024。 ） 新星是指突然星星看起來明亮閃耀的現(xiàn)象。 這是一種爆炸現(xiàn)象，來自伴星的氣體降落在行星系的白矮星表面，達(dá)到一定的臨界量時(shí)會(huì)發(fā)生核反應(yīng)失控。 新星現(xiàn)象在同一個(gè)白矮星中多次發(fā)生，從觀測(cè)上來看也作為回歸新星為人所知。 白矮星是宇宙中存在的許多星星的終結(jié)之姿，太陽在數(shù)十億年后也會(huì)變成白矮星，失去現(xiàn)在這樣的光輝。 只是，由于太陽不在銀河系，將來不會(huì)發(fā)生新星爆炸。 這次備受矚目的是作為白矮星為太陽7.8倍的星球，起源于最重星球的“重白矮星”。 這種重——平均質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的0.6倍——白矮星由氧、氖、鎂組成，由此產(chǎn)生的新星通常被稱為“氧氖新星”。 到目前為止，作為新星提供元素的場(chǎng)所，除了鋰這種元素之外幾乎沒有受到關(guān)注。 這是因?yàn)樾滦侵谱鞯脑亓颗c星星整體爆炸的超新星等相比壓倒性地少。 但是，在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)在氧氖新星中，磷與其他元素不同，制造得多得驚人。 而且，如果將同一氧氖白矮星中新星爆炸在10億年以上的時(shí)間內(nèi)多次反復(fù)發(fā)生計(jì)算在內(nèi)的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其最終的合成量大大超過超新星。 圖2描繪了此次首次明確的從銀河系誕生時(shí)到現(xiàn)在長(zhǎng)達(dá)120億年的磷比率進(jìn)化的劇本。 首先，根據(jù)最初的氧氖新星開始提供磷之前產(chǎn)生的星星的磷含量的觀測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)到目前為止超新星只能制造少量磷的理論計(jì)算是正確的。 此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在距今約80億年前的宇宙中，來自重新星的磷逐漸蓄積，其結(jié)果顯示，磷相對(duì)于其他元素(鐵等)的比率最高。 之后，隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)生較重新星的頻率逐漸降低，同時(shí)其他元素也由其他超新星合成，由此可以認(rèn)為銀河內(nèi)磷的比率逐漸減少。 因此，在太陽系誕生之前的46億年，當(dāng)時(shí)的銀河中，磷的生產(chǎn)效率比現(xiàn)在高，存在得更豐富。 也許可以說地球誕生46億年前的宇宙是容易產(chǎn)生生命的環(huán)境。圖3 :理論模型與觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較。 可以看出，此次新提出的“新星模型”能夠很好地解釋觀測(cè)，但以往的“超新星模型”與觀測(cè)數(shù)據(jù)不一致。 觀測(cè)數(shù)據(jù)的較大方差被認(rèn)為反映了來自較重新星的氣體釋放量的差異。 (轉(zhuǎn)載自Bekki & Tsujimoto 2024。 超新星模型摘自Cescutti et al. 2012，Astronomy and Astrophysics 540，A33。 ） 圖3顯示了根據(jù)本研究提出的“磷新星起源說”計(jì)算出的模型結(jié)果。 雖然從觀測(cè)上知道新星在各次爆炸中放出的氣體量有偏差，但是通過將其導(dǎo)入模型中，可以很好地解釋觀測(cè)數(shù)據(jù)中看到的較大的方差。 另一方面，也可以看出，以往的超新星模型無法說明觀測(cè)數(shù)據(jù)的傾向。 另外，這次的模型的正當(dāng)性的驗(yàn)證將來是可能的。 在重新星中，我們發(fā)現(xiàn)在磷的同時(shí)，也會(huì)大量合成“氯”。 因此，可以預(yù)言銀河系中氯的演化應(yīng)該會(huì)經(jīng)歷與磷同樣的演化。 另一方面，目前對(duì)星星的氯的觀測(cè)由于存在很大的困難，所以只在少數(shù)星星上進(jìn)行，不知道氯的進(jìn)化路線。 我們計(jì)劃通過對(duì)很多星星的觀測(cè)來明確氯的含量。 如果磷像之前的定論一樣只由超新星制造出來的話，這個(gè)宇宙可能就不會(huì)有生命了。 與星星大爆炸這一華麗的超新星相比，本研究表明，星星表面的小爆炸這一看起來不華麗、樸素的天體現(xiàn)象，有可能是給宇宙帶來生命的重要事件。 地球上生命是如何誕生的仍然充滿著謎團(tuán)。 基于主流思想，第一個(gè)生命誕生于大約38億年前，它是由磷等生命必需的元素在地球上凝結(jié)而成的。 人們認(rèn)為，這些生命起源的化學(xué)物質(zhì)是隕石和宇宙塵埃以比現(xiàn)在多得多的頻率在地球誕生期數(shù)億年間降落到地球上造成的。 可以認(rèn)為，這些太陽系原始物質(zhì)中含有大量來自重新星的磷，導(dǎo)致了地球上的生命誕生。 本研究主張了新星對(duì)宇宙生物學(xué)(星形生物學(xué))的作用的重要性。 論文信息 該研究成果刊登在美國天體物理學(xué)雜志《天體物理學(xué)周刊》在線版上，日期為2024年5月10日( Bekki，K. & Tsujimoto，t .“phosphorous enrichment by onto”) DOI: 10.3847/2041-8213/ad3fb6 研究資助 本研究是在JSPS科研費(fèi)(課題編號(hào): JP18H01258、JP19H05811、JP23H00132 )的資助下進(jìn)行的。 版權(quán)所有2021-jasmine project，NAOJ. All Rights Reserved .