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科学家鉴定氧同位素可揭示太阳系起源

日期: 2018-04-28
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  据美国科学日报报道,氧是地球上蕴藏最丰富的元素,大约占地球质量的一半以上。地球上的氧具有三种稳定同位素形式:氧16、氧17和氧18。氧16占地球上氧总量的99.762%,氧17占0.038%,氧18占0.2%。目前,科学家声称,发现了关于氧元素的新线索,进而可揭示太阳系的起源。

科学家鉴定氧同位素可揭示太阳系起源       
探测氧元素的新线索,进而可揭示太阳系的起源

  太阳系中许多原始星体上的矿石比地球上氧同位素具有完全不同的比率,其中包括碳质球粒状陨石,科学家推测在太阳系早期大量存在着罕见较重的氧同位素。美国伯克利实验室化学科学公司的穆萨·阿梅德说,“作为一位化学家,氧同位素比率将帮助我们理解太阳系的起源问题。为什么地球上矿石中氧同位素比率会出现显著差异,这一点使科学家们迷惑许多年。” 

  不同氧同位素模型将解释其间的差异性,其中包括太阳系同位素比率形成奇特的恒星,或者通过核反应过程形成不同类型的恒星,这种太阳星云的化学处理过程将提高氧同位素的比率。像这样的进程被命名为“同位素自屏蔽隔离”。太阳星云中富含氧分子的一氧化碳,当它被真空紫外线解离时,自屏蔽隔离被认为是相关氧分子生成的关键性因素。

  在外太空的灰尘和气体分子星云中已观测到自屏蔽隔离现象,当充沛的真空紫外线从附近的恒星渗透进入分子星云,将把一氧化碳分子分解成为碳原子和氧原子。不同同位素吸收真空紫外线光子具有轻微的能量差异,然而,在接近星云边缘的区域,一氧化碳和大量的氧16同位素吸收了大量被氧16吸收的光子,因此氧16位于星云中更深的位置。但是氧17和氧18,吸收了不同能量,却并未产生屏蔽隔离,在星云内部,相关更多的一氧化碳分子和较重同位素被解离,同时,较重的氧原子被释放出来。

  研究人员期望太阳系早期存在一个类似的进程,伴随着年轻的太阳辐射真空紫外线,一氧化碳将在原太阳的炎热区域发生作用,或者在更远的寒冷区域起作用。是否真空紫外线的自屏蔽隔离真实工作于该状态下呢?如果是这样的话,氧同位素比率将产生怎样的影响?到目前为止尚没有准确的答案,该提议未进行实验方法测试。阿梅德说,“加州大学圣地亚哥分校的马克·蒂蒙斯与我们取得了联系,使用光波线9.0.2(beamline 9.0.2)进行了方向测试,先进光源机构(Advanced Light Source)提供真空紫外线光子可以精确地调谐一氧化碳分解时产生的多样性能量。”

  化学家蒂蒙斯调查太阳系氧比率已有30多年,他是美国“起源号”宇宙飞船科学研究小组成员之一,他对太阳风的样本进行了研究分析。他认为如果不深入认识宇宙天体氧化学进程,将无法理解太阳系如何形成和进化的。

  伴随着太阳系早期一氧化碳的光解作用,水在太阳系进化过程中至关重要。基于许多复杂的化学反应,太阳系最古老的矿石中将锁定较重的氧同位素,随后这些氧同位素形成于其他太阳系的星体中。阿梅德解释称,第一阶段是一氧化碳发生光解作用,形成氢、氧原子,氧和氢原子结合形成羟氢氧基HO,该分子很快与氢结合会形成水分子。以上原子和分子是构成星体灰尘粒子的基本成份,因此,水分子中的氧原子在某些模式下可以转换氧同位素成为硅酸盐。不同的氧同位素将持续通过该阶段测试,我们的实验重点关注第一阶段所发生的变化。

  测试者通过一个测试舱发送超纯净一氧化碳,每个一氧化碳分子在4个不同波长状态下暴露于同步加速器产生的真空紫外线光子波中,一氧化碳分子在每个波长下暴露的时间很长,在3-16小时之间。当碳和氧原子解离时,氧原子很快与完整的一氧化碳分子结合形成二氧化碳,然后收集在液氮冷却容器中。这些实验样本由研究小组成员苏布拉塔·查克拉博尔蒂送至加州大学圣地亚哥分校,查克拉博尔蒂采用化学方法从二氧化碳中移除氧分子,然后他通过质量光谱测定法测定同位素比率,依据分子的质量分离同位素。

  阿梅德说,“这项研究成果非常令我们吃惊,我们证实了真空紫外线自屏蔽隔离进程对于太阳系最古老星体氧同位素比率特征具有重要的作用。” 基础性物理化学足以生成高比例较重的同位素,这种比率的同位素与太阳系早期环境的矿石样本很相似。研究人员推断太阳星云中寒冷区域很可能产生大量较重的氧同位素分子,但是该区域并不经过同位素自屏蔽隔离。阿梅德说,“同位素比率并不会告诉人们为什么太阳系早期会与现今存在如此大的差距,目前在实验室里我们还有更多的科学研究需要进行。关于氧化学反应的一个进程是我们希望下一步测试氧、水和硅酸盐之间的反应,这将生成太阳系最初的岩石结构。”


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