論壇:科學家鑒定氧同位素可揭示太陽系起源

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2008年09月19日08:21  來源:人民網科技論壇

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探測氧元素的新線索,進而可揭示太陽系的起源

  北京時間9月19日消息,據美國科學日報報道,氧是地球上蘊藏最豐富的元素,大約佔地球質量的一半以上。地球上的氧具有三種穩定同位素形式:氧16、氧17和氧18。氧16佔地球上氧總量的99.762%,氧17佔0.038%,氧18佔0.2%。目前,科學家聲稱,發現了關於氧元素的新線索,進而可揭示太陽系的起源。

  太陽系中許多原始星體上的礦石比地球上氧同位素具有完全不同的比率,其中包括碳質球粒狀隕石,科學家推測在太陽系早期大量存在著罕見較重的氧同位素。美國伯克利實驗室化學科學公司的穆薩·阿梅德說,“作為一位化學家,氧同位素比率將幫助我們理解太陽系的起源問題。為什麼地球上礦石中氧同位素比率會出現顯著差異,這一點使科學家們迷惑許多年。”

  不同氧同位素模型將解釋其間的差異性,其中包括太陽系同位素比率形成奇特的恆星,或者通過核反應過程形成不同類型的恆星,這種太陽星雲的化學處理過程將提高氧同位素的比率。像這樣的進程被命名為“同位素自屏蔽隔離”。太陽星雲中富含氧分子的一氧化碳,當它被真空紫外線解離時,自屏蔽隔離被認為是相關氧分子生成的關鍵性因素。

  在外太空的灰塵和氣體分子星雲中已觀測到自屏蔽隔離現象,當充沛的真空紫外線從附近的恆星滲透進入分子星雲,將把一氧化碳分子分解成為碳原子和氧原子。不同同位素吸收真空紫外線光子具有輕微的能量差異,然而,在接近星雲邊緣的區域,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位於星雲中更深的位置。但是氧17和氧18,吸收了不同能量,卻並未產生屏蔽隔離,在星雲內部,相關更多的一氧化碳分子和較重同位素被解離,同時,較重的氧原子被釋放出來。

  研究人員期望太陽系早期存在一個類似的進程,伴隨著年輕的太陽輻射真空紫外線,一氧化碳將在原太陽的炎熱區域發生作用,或者在更遠的寒冷區域起作用。是否真空紫外線的自屏蔽隔離真實工作於該狀態下呢?如果是這樣的話,氧同位素比率將產生怎樣的影響?到目前為止尚沒有准確的答案,該提議未進實驗方法測試。阿梅德說,“加州大學聖地亞哥分校的馬克·蒂蒙斯與我們取得了聯系,使用光波線9.0.2(beamline 9.0.2)進行了方向測試,先進光源機構(Advanced Light Source)提供真空紫外線光子可以精確地調諧一氧化碳分解時產生的多樣性能量。”

  化學家蒂蒙斯調查太陽系氧比率已有30多年,他是美國“起源號”宇宙飛船科學研究小組成員之一,他對太陽風的樣本進行了研究分析。他認為如果不深入認識宇宙天體氧化學進程,將無法理解太陽系如何形成和進化的。

  伴隨著太陽系早期一氧化碳的光解作用,水在太陽系進化過程中至關重要。基於許多復雜的化學反應,太陽系最古老的礦石中將鎖定較重的氧同位素,隨后這些氧同位素形成於其他太陽系的星體中。阿梅德解釋稱,第一階段是一氧化碳發生光解作用,形成氫、氧原子,氧和氫原子結合形成羥氫氧基HO,該分子很快與氫結合會形成水分子。以上原子和分子是構成星體灰塵粒子的基本成份,因此,水分子中的氧原子在某些模式下可以轉換氧同位素成為硅酸鹽。不同的氧同位素將持續通過該階段測試,我們的實驗重點關注第一階段所發生的變化。

  測試者通過一個測試艙發送超純淨一氧化碳,每個一氧化碳分子在4個不同波長狀態下暴露於同步加速器產生的真空紫外線光子波中,一氧化碳分子在每個波長下暴露的時間很長,在3-16小時之間。當碳和氧原子解離時,氧原子很快與完整的一氧化碳分子結合形成二氧化碳,然后收集在液氮冷卻容器中。這些實驗樣本由研究小組成員蘇布拉塔·查克拉博爾蒂送至加州大學聖地亞哥分校,查克拉博爾蒂採用化學方法從二氧化碳中移除氧分子,然后他通過質量光譜測定法測定同位素比率,依據分子的質量分離同位素。

  阿梅德說,“這項研究成果非常令我們吃驚,我們証實了真空紫外線自屏蔽隔離進程對於太陽系最古老星體氧同位素比率特征具有重要的作用。” 基礎性物理化學足以生成高比例較重的同位素,這種比率的同位素與太陽系早期環境的礦石樣本很相似。研究人員推斷太陽星雲中寒冷區域很可能產生大量較重的氧同位素分子,但是該區域並不經過同位素自屏蔽隔離。阿梅德說,“同位素比率並不會告訴人們為什麼太陽系早期會與現今存在如此大的差距,目前在實驗室裡我們還有更多的科學研究需要進行。關於氧化學反應的一個進程是我們希望下一步測試氧、水和硅酸鹽之間的反應,這將生成太陽系最初的岩石結構。”(魏冬)

  原文地址:http://bbs.people.com.cn/postDetail.do?id=88506556

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(責任編輯:田端(實習))
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