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《研炭翁说碳》(六):从钻石星球“露西”说起 ——漫谈宇宙中的碳

时间:2020-06-30   作者:王茂章/文;郭晓倩/编辑   

光辉夺目,晶莹剔透的钻石虽然也是碳元素的一种形式,但却是年轻女士在情人节时最期盼的礼物。地球上已发现的最重钻石是1905年产于南非,重3106克拉的库里南钻石原石。按每克拉为0.2克计算,其重量相当于621.2克,尚不足一公斤。但是,你知道吗,距离我们地球50光年的人马座中,有一颗编号为“BPM37093”星球却是迄今所知宇宙中的最大的一颗钻石。它的直径为4000公里,重量达1034克拉,即2×1027吨,天文学家根据披头式乐队的歌曲天空中那是载着钻石的露西,而将它命名为露西。事实上,它是恒星中核反应完全结束、转化成白矮星之后形成的碳内核,随温度的降低,其中的碳元素就会逐渐形成密度极高的结晶,从而成为银河系中最大的钻石。50亿年之后,太阳也将蜕变成一颗白矮星,然后再经过20亿年,就也将变成一颗闪闪发光的大钻石。


1 钻石星球


2 宇宙中的巴基球

除由恒星直接转化成的大钻石外,也有在恒星周围形成的碳行星。人类已经观察到100多颗太阳系以外的行星。在这些行星中,也有一些是由含有丰富碳元素的气体及尘埃浓缩而成,其中有些行星的主要成分是碳化硅(金刚砂)等。还有一些行星的表壳最上端可能是石墨,而内部是由于高压作用转化成的天然钻石,其表面还可能有碳氢化合物,也可能形成甲烷之类液体碳氢化合物的湖区或海区。有些科学家甚至认为这些太阳系外的碳元素行星可能存在着生命,甚至智能生命。例如,在年龄仅2000多万年、离地球约60光年、被称之为贝塔-皮克托里斯的恒星周围,就发现了直径达3000亿公里的气体尘埃云,其中有大量气态的碳,它们正在形成甲烷和石墨储量极其丰富的行星。2008年美国宇航局发布卡西尼飞船探测结果称,土星最大的一颗卫星——土卫六的表面湖海中天然气和其它液态碳氢化合物数量惊人,是地球上已探明石油天然气总储量的数百倍。液态碳氢化合物不是以水,而是以甲烷和乙烷的形式存在于土卫六的表面。


宇宙尘粒大小主要在纳米至微米范围,可能在原始行星中有更大的粒子。在原始球粒陨石中曾发现两种太阳前期的碳粒子:纳米金刚石和石墨粒子。纳米金刚石的典型大小为2 nm,相当于100个碳原子;而石墨粒子约为120 nm。在某些富碳星的流出物中发现许多不同结构的碳及非晶态碳粒。在原始含碳球状陨石中还发现许多有机物,如在含碳陨石中已发现糖类及其衍生的多羟基化合物,因此在数百万年前彗星和陨石轰击地球时可能为地球带来了有机生命的种子。对坠落地球的陨星研究表明,其中碳元素的3%以纳米级钻石形态存在。据推算,宇宙尘云中一克尘埃和气体中可能含一万万亿颗纳米级钻石。美国宇航局的斯皮策spitzer)红外线太空望远镜正在进行这方面的搜寻。在宇宙中,碳元素除以钻石、石墨形态存在之外,还有许许多多其他形式。例如利用哈勃望远镜在一棵距地球65光年、如木星般大小、被命为“HD189733”的系列行星上还发现二氧化碳气体。

1937年发现第一个星际分子以来,已鉴定出的星际分子已超过130多种,而其中的75%是含碳分子。碳是扩散星际云中自由电子的主要来源,可以使星际气体加热,因此碳在星际介质物理进化中起重要作用。由于碳有更强的成键能力,故能形成多种多样的分子。在空间已鉴定出的含碳分子包括简单的双原子(例如,COCNC2等),简单的多原子(CH2CH4C2H2等)和更复杂的不饱和及多环芳烃分子。在距地球约2.6万光年的区域曾探测到乙二醇。乙二醇是由碳、氢和氧组成的10个原子的分子,是目前在宇宙中发现的5个最大分子之一。这一发现表明,星际云中可能存在更为复杂的像核糖一样的糖分子。核糖是构成核糖核酸的主要成分,而核糖核酸是构成脱氧核糖核酸的主要成分。该发现进一步表明,星际化学物质的发现对了解地球早期生物分子的产生十分重要。

六个碳原子接合在一起可形成六角形的苯环分子,多个苯环并在一起可形成萘、菲、蒽等平面的各种多环芳烃分子,苯环的并联可以无限制地继续,在极端情况下就形成不同大小的平面石墨烯分子。多环芳烃分子被认为是空间最丰富复杂分子类的代表,这类分子有很高的光分解稳定性,从而能在苛刻的星际环境中存在。多环芳烃分子在富碳巨星流出物中产生,其过程与燃烧过程中烟炱的形成类似,它是炭黑粒子的基本原料,是气相中分子碳和尘埃粒子(或碳质固体)的中间产物。平均大小为2030碳原子的多环芳烃分子和碳碳链是星际云中的分子云核心(100200K)和碳星外围的普通组分。

2010年,用斯皮策红外线太空望远镜,在距离地球6500光年的天坛星座一颗星体周围的宇宙尘埃中,也捕捉到巴基球(即富勒烯:C60C70)引发的红外光谱扰动。由于巴基球是最稳定的物质之一,因而它们可以在星际间的强大太空辐射场中保存下来,这一发现证明富勒烯也能在太空中形成。C60C70因其所具有的独特特性,在太空发生的各种物理和化学反应中扮演着非常重要的角色,这一发现甚至可能帮助科学家解释在宇宙尘埃中已经探测到还无法解释的化学信号。

整个宇宙的质量中, 95%为看不见的黑暗物质、黑暗能量和中微子。星球、彗星、宇宙间气体和灰尘仅占整个宇宙质量5%,其中的所有物质均由近100种元素及其300多种同位素组成。宇宙内的所有元素中,碳元素含量所占比例仅为0.3%,但其丰度列第6位。在太阳系的元素和同位素中,按原子比率的顺序碳和氧差不多列第4位,仅低于氢和氦。碳也是形成地球宇宙微粒的主要构成元素,随着不断的演化发展,以碳为骨架,终于在地球上形成了各种动植物繁衍的大千世界,详细请看研炭翁说碳()碳在地球上的轮回。

本文来自王茂章科学网博客。

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