在南極冰層中尋找星塵

北京大學 徐仁新 編譯自Rachel Berkowitz. Physics，May 13，2026

本文選自《物理》2026年第6期

在過去數(shù)萬年內，太陽系一直在穿越本星際云LIC (local interstellar cloud)，它是太陽附近15個由氣體和塵埃構成的星際云之一。此前在南極地表雪中已發(fā)現(xiàn)了可能來自LIC的塵埃；鐵同位素示蹤分析研究顯示，這些塵埃應該產生于超新星。如今，在深埋南極的冰層中，德國德累斯頓研究中心Koll領導的團隊再次發(fā)現(xiàn)了鐵同位素60Fe的增豐。他們從幾百公斤的冰芯中提純并分析了微量的60Fe，并推斷：60Fe很可能來自LIC，該星際云起源于史上一次超新星爆發(fā)活動。

地質史上超新星核合成60Fe的沉積率(按時間倒序，0為現(xiàn)在)。南極冰給出的星際60Fe沉積率低于南極雪和深海沉積物測量值，反映了過去8萬年期間太陽系穿越LIC過程中星際60Fe沉積率的變化

誠然，當太陽系在銀河系運動時會經過疏密不等的星際介質區(qū)域 (本文據(jù)“Koll D et al. Phys. Rev. Lett.，2026，136：192701”補充而成?！g者注)。在太陽周圍15 pc之內，分布著15個熱而彌散的星際云團，溫度為(0.5—1)×104 K、數(shù)密度為 0.1—0.2 cm-3。每一團星際云具有不同的特定運動速度，但它們作為一個整體(通常又稱作本星際云復合體，其整體運動特征暗示可能具有共同起源)被嵌入100—200 pc大小的本地泡之中，其溫度是(1—100)×104 K、數(shù)密度是0.005 cm-3。本地泡的成因有待深入研究，但一般認為可能起源于一千萬年前天蝎半人馬座星協(xié)中近二十顆超新星爆發(fā)驅動的外流。人們推測，本星際云復合體可能形成于約120萬年前上半人馬座-豺狼星團的一次超新星爆炸，其遺跡在壓力驅動下膨脹并掃過星際介質。

太陽系正穿越的LIC就是本星際云復合體中15個小型星際云之一，它于13萬年前才形成，總質量約0.3M⊙?；谔煳挠^測估計，太陽系約在4至12萬年前進入LIC。2至6千年后，太陽系將離開LIC并進入相鄰的G云。值得一提的是，在過去一二十萬年內超新星合成放射性核素的地質沉積物中，很可能已經記錄了超新星對本星際云復合體的影響。

超新星爆炸可合成放射性核素60Fe，其衰變(
)的半衰期為2.6百萬年。此前人們已在水成型鐵錳結殼、深海沉積物以及月壤中發(fā)現(xiàn)過60Fe，其輸入地球的豐度有兩個峰值期(大約在兩百萬年、七百萬年之前；左下圖只展示了二百萬年前的峰值)；這為過去一千萬年內近地超新星的一些活動提供了證據(jù)。超新星爆發(fā)后，因降溫而凝結成的塵埃會吸附60Fe；同時這些星塵也作為60Fe的載體被帶入地球。不過，在本星際云復合體形成之前，幾百萬年前的超新星事件就已記錄在地質沉積物中。可見，太陽系過去穿行的距離應該遠大于本星際云復合體的空間尺度。

沉積于地球冰蓋中的氣體和塵埃會記錄過去的星際環(huán)境變遷。Koll等采集了近300 kg南極冰芯，時間上對應于4萬至8萬年前的歷史時期。他們將冰融化后提取了放射性核素，并使用質譜儀測量60Fe和53Mn。注意，宇宙射線轟擊行星際塵埃時也會產生60Fe和53Mn，但60Fe/53Mn的豐度比可用于區(qū)分超新星合成或宇宙線成因的60Fe。核武器和反應堆雖也能產生60Fe，但其貢獻可以忽略不計。經過仔細分析，研究人員發(fā)現(xiàn)測得的60Fe含量遠超預期，推斷多余的鐵應該來自太陽系外的星際空間。

結合南極雪和最近深海沉積物的測量結果，Koll團隊重建了過去8萬年間星際60Fe輸入地球的流量。不同歷史時期的測量值顯示，60Fe流量在太陽系初入本星際云LIC時非常低(圖中青綠色倒三角，本次實驗結果)，但在穿越LIC時達到高峰(紅色方塊)，之后在接近LIC出口時逐漸下降(藍色三角)。

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