老年恒星周围首次发现石墨烯与巴基球

伤我心太深

示意图：在行星状星云中发现的石墨烯和富勒烯。在这样一颗类似太阳恒星的周围空间探测到这些分子暗示像石墨烯这类碳的同素异形体可能广泛分布于宇宙空间。

这是哈勃空间望远镜拍摄的大麦哲伦星系中的行星状星云SMP48，它是这项研究中被观察的目标之一。从这张照片上可以非常清楚地指导为什么它们会被称为“行星状星云”，因为在早期的望远镜中看来，它们几乎仅仅就是一个模糊的光点而已。

借助美国宇航局斯必泽空间望远镜，一个天文学家小组宣称他们首次在星系际空间探测到C70富勒烯分子以及C24石墨烯。亚利桑那图森的美国国家光学天文台研究员勒提西亚·斯塔赫利尼(Letizia　Stanghellini)和理查德·肖(Richard Shaw)描述了行星状星云中老年恒星释放的星风冲击波是如何导致富勒烯(C60和C70)以及石墨烯C24形成的。这一小组的领导人是来自西班牙加纳利天文研究院(Instituto de Astrofsica de　Canarias)的多明戈·阿尼巴尔·加西亚-赫曼德斯(Domingo Anibal　Garcia-Hernandez)。小组成员包括来自多个国家的天文学家和生物化学家。

行星状星云是一颗类似我们太阳的恒星走到了生命的终点，此时它们开始向周围空间抛射气体物质。此次科学家们观测的行星状星云位于大小麦哲伦星云，这是银河系的两个卫星星系，在南半球夜空中可以很容易看到。从银河系内地球的位置观察麦哲伦星系中的行星状星云，看上去就是模糊的一团。然而，那些在我们银河系内部的行星状星团的距离很难进行精确测定，而这个位于麦哲伦星系中的行星状星云的距离却可以进行精确测定，误差不超过5%。有了这样精确的距离参数，研究小组得以确定出其中央老年恒星的实际光度，并确认这确实是一个行星状星云，而非其它天体。

富勒烯，或者叫“巴基球”，是一种在地球上的实验室内发现的物质，这种物质具有一些非常有趣且重要的性质。巴基球由60个碳原子组成一个球形，其形状和著名建筑师巴克敏斯特·富勒(Buckminster　Fuller)设计的穹顶构造非常相似，因而得名。而碳70的形状则更像是一个橄榄球，相比之下，碳60就是一个足球。石墨烯C24则是一种薄膜状碳结构，其厚度仅有一层原子，但是却拥有超高的强度，导电性和超强的韧性。事实上石墨烯薄膜是目前已知最薄的物质。它最早于2004年由英籍俄罗斯物理学家，曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功合成，他们两人也因此获得了2010年度的诺贝尔物理学奖。加西亚-赫曼德斯说：“石墨烯即便是在地面上的实验室内合成也非常困难，如果这一发现最终被实验光谱学分析证实，那这将是在太空中首次探测到石墨烯的存在。”

科学家们提出这些富勒烯和石墨烯可能是由冲击波效应(如粒子碰撞等)引发的氢化非晶系碳颗粒(HACs)解体形成的。在行星状星云产生的星风冲击下，这样的碰撞效应是非常有可能发生的。而此次，观测小组正是在这些恒星的紫外波段中观测到剧烈的星风。斯塔赫利尼说：“让热惊异的是，这些分子的存在和不同恒星的温度差异无关，而是和星风的强弱存在显著关联。”

小麦哲伦星系呈现贫金属特性，这是一种天文学上的说法，即缺少除了氢和氦之外的其他元素。这样的环境非常有利于富含碳的行星状星云的成长，而后者又为复杂的碳分子结构形成提供了良好的温床。真正的挑战在于如何从斯必泽望远镜的数据中识别出石墨烯的信号。斯塔赫利尼说：“斯必泽望远镜对于研究太空中复杂有机分子的工作非常重要，我们现在不但探测到了富勒烯和其他分子，并且正尝试理解它们的成因和演化过程。”而理查德·肖则补充说：“我们还在计划利用国家光学天文台的望远镜进行地面后续观测验证。我们希望能在发现富勒烯的行星状星云中再找到一些其他类型的分子，以便验证一些物理过程在那里的环境下是否存在。这将有助于我们加深对于宇宙中生命的生物化学机制的理解。”