濒死恒星利用碳纳米管播种星际物质

碳纳米管是一种由多层碳片组成的高度结构化分子，具有微小管状形态。有科学研究证据表明，濒死恒星周围的气体和灰尘包裹中能够形成碳纳米管。这一机制的发现，为复杂碳分子在太空中的形成和遗存这一难题提供了精妙的解释。

20世纪80年代中期，复杂碳分子在星际介质中漂流这一现象的发现引起了极大关注，其中最著名的例子可能就是巴克敏斯特富勒烯（Buckminsterfullerene），也叫“巴基球”。这是一种由60或70个碳原子组成的球体，科学家们一直致力于理解这些分子是如何在太空中形成的。

富勒烯是目前已知的存在于星际空间中的最大分子，因其与巴克敏斯特·富勒的建筑作品相似而得名。几十年来，人们一直认为星际空间中只能存在一些简单分子，单个分子内的原子数最多不超过10个。然而富勒烯C₆₀和C₇₀分别含有60和70个碳原子，现在已被认定是星际物质的常见成分。

巴克敏斯特·富勒 | Wikimedia Commons，Dan Lindsay / CC BY 3.0（https://creativecommons.org/licenses/by/3.0）

近来，亚利桑那大学的研究人员在Journal of Physical Chemistry A上发表的一篇论文中提出了一个异常简约的解释。碳化硅（SiC）是行星状星云中尘埃颗粒的一种常见成分。研究人员在将碳化硅暴露于类似于濒死恒星周围的环境中之后，观察到了碳纳米管的自发形成现象。该研究结果于6月16日在加利福尼亚州帕萨迪纳市举行的第240届美国天文学会会议上公布。

此前，一项2019年发表的研究成果显示，当濒死恒星产生的碳化硅尘埃受到高温、冲击波和高能粒子的撞击，从表面浸出硅而留下碳时，就可能形成巴基球和碳纳米管。

距离地球2000光年的濒死恒星——螺旋状星云的照片 | NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

而近期的发现则支持了如下观点：濒死的恒星可能会在星际物质中播下碳纳米管和其他复杂碳分子的种子。这些结果对天体生物学有一定的意义，因为它提供了一种碳元素聚集和被运输到行星系统中的机制。

由红外线观测可得知，巴基球在星际物质中大量存在。然而最大的问题在于，为什么这些巨大而复杂的碳分子能够在氢气饱和的环境中形成。根据热力学定律，在氢存在的条件下，几乎不可能形成富碳分子，更不用说含有纯碳的物质了，而氢气环境正是濒死恒星周围的典型环境。但是新的研究结果提供了另一种可能：石墨烯是已知在加热的碳化硅颗粒表面形成的单层碳片，巴基球和纳米管可能只是简单地重新排列石墨烯的结构，并非组装单个碳原子。

当样品处于濒死恒星或死亡恒星的环境时，温度接近1,050摄氏度。此时在晶粒表面可以观察到大约1纳米大小的小半球形结构。持续加热的几分钟，球形芽结构开始生长成杆状结构，包括少量石墨烯层的曲率和尺寸都显示出管状特征。所得到的纳米管的长度和宽度在3到4纳米之间，比巴基球还要大。影像中显示的最大标本由四层以上的石墨碳组成。在加热实验中，碳纳米管脱出表面并被吸入样品周围的真空之前会发生扭摆。

示意图中，实验加热导致碳化硅颗粒脱落硅原子(绿色)。这就留下了碳原子(黑色)，它们会组装成石墨烯薄片，最终形成棒状碳纳米管和球形巴基球 | University of Arizona，Jacob Bernal

位于亚利桑那州的柯伊伯材料成像和表征设备，是世界上首批模拟行星状星云环境的特种设备。它发出的200,000伏特的电子束可以探测到78皮米（水分子中两个氢原子的距离）以下的物质，从而可以看到单个的原子。该仪器在真空中运行，与人们认为存在于恒星周围的压力环境非常相似。

虽然一个球形C₆₀分子的直径为0.7纳米，但在这个实验中形成的纳米管结构的尺寸是C₆₀的几倍，数量超过1000个碳原子。研究人员确信他们的实验准确地复制了行星状星云中的温度和密度条件。模拟实验表明，碳纳米管以及较小的富勒烯随后一并被注入了星际物质中。碳纳米管具有很高的抗辐射稳定性，富勒烯则能够在充分屏蔽高能宇宙辐射的情况下存活数百万年。

研究人员提出，富含碳的陨石，如碳质球粒陨石，可能也含有这些结构。然而实际在陨石中发现纳米管却很难，因为陨石的颗粒尺寸非常小，且是有机和无机材料的复杂混合物，其中一些陨石的尺寸甚至与纳米管的尺寸相似。

不过实验表明，这些物质还是有可能是在星际空间中形成的。45亿年前，银河系中凝聚形成了太阳系。如果碳纳米管能够在银河系中幸存，就有可能存在于残留物质中。

其中一个典型例子是Bennu，它是一种碳质近地小行星，2020年10月，美国宇航局在亚利桑那州领导的OSIRIS-REx任务从中获取了一个样品。科学家们热切地等待着定于2023年的样品的到来，并期待在其中发现碳纳米管的身影。

[1]https://phys.org/news/2022-06-dying-stars-seed-interstellar-medium.html

[2]https://news.arizona.edu/story/dying-stars-could-seed-interstellar-medium-carbon-nanotubes

编译：绿洲

编辑：靳小明

排版：尹宁流

题图来源：NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

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