120亿光年外！科学家发现了人类牙齿中的氟元素，含量超出预期

doco2012

最近有一组天文学家，在120亿光年以外的一个星系中发现了氟化氢，这个发现好像也没有啥特别奇怪的地方，为啥还专门写了一篇论文？

这其中肯定有鬼，且听我慢慢道来。发现氟化氢的星系的编号是NGP-190387，氟化氢很明显是一种氟和氢的化合物，其中的氢并不奇怪，因为宇宙就是从氢和氦这两种元素开始的；

我们知道在宇宙诞生以后的3秒种质子和中子就形成了，3分钟以后，大爆炸核合成也就结束了，这个时候年轻的宇宙中就出现了，92%的质子和8%的氦，这是按数量比例来算的，那这两种元素就是所有物质的基本材料。

那其中的氟也不奇怪，因为宇宙在大爆炸核合成结束以后，又等待大约30几万年时间，在温度降到大约3000K的时候，中性原子就形成了，这个时候的宇宙中充满了氢气和氦气，当然还有我们看不见暗物质。

这些东西并不是均匀地分布在宇宙空间中的，而是有些地方的密度高，有些地方的密度低，这是因为宇宙暴胀时期的量子涨落造成的，这种密度的不均匀就被称为万物的种子。

因为在万有引力的作用下，密度高的地方就会吸积越来越多的物质，最终恒星就形成了，这个时间说不准，估计是5000万年到1亿年间宇宙中的第一批恒星就诞生了。

那有了恒星，其他一些比氦更重的元素基本上都可以形成，所以在宇宙的早期发现氟元素并不奇怪，真正奇怪的是，氟化氢的丰度，也就是他的含量。

要知道这次天文学观察到的星系在120亿光年以外，所以我们看到它的样子非常年轻，大约只有14亿岁。

天文学家是通过智利沙漠深处的阿塔卡马大型毫米阵列望远镜，其实就是无线电望远镜，观察到了这个星系，并且接收到了这个星系尘埃和气体发出的电磁波。

经过数据分析以后，发现电磁波在1.32毫米的波长处，发生了衰减，这说明有什么东西吸收了相应波段的电磁波，那么在考虑了吸收线的红移以后，天文学家发现，这正好对应了氟化氢分子的吸收光谱。

虽然我们以前也在遥远的星系中看到过碳、氮、氧这些元素，但这是第一次在这么年轻的星系中看到氟元素，而且更令人惊奇的是，这个星系中的氟元素的丰度完全超出了我们的预期，含量惊人。

因为以前我们认为氟的产生主要发生在K、G、F、A和部分B型恒星的晚期，这些恒星在燃烧完核心区域的氢以后，进行氦聚变的时候，会膨胀成红巨星，这个阶段还有一个名字叫渐近巨型分支。

处在这个阶段的恒星，不仅会向外吹散外壳，还会形成大量的自由中子，这些自由中子不带电，所以他能轻松地靠近原子核，由于产生的中子速度也不是特别的快，这个速度是相对来说的，所以它们可以轻松被原子核捕获；

假如一个原子核现在捕获了一个中子，如果这个原子核还是一个稳定核的话，那它就变成了这种元素更重的同位素了。

如果一个原子核现在捕获了一个中子，但是新核不稳定，这个中子就会经历β衰变变成质子，那么这个元素就会从周期表中向后移动一位。

比如说在像我们太阳这样的G型恒星中，当他燃烧核心的氦的时候就会膨胀红巨星，这个时候核心的核聚变不仅会生成碳12，碳12还能和一个质子结合变成氮13，那氮13不稳定很快就会变成碳13，碳13在结合一个质子，就会变成稳定的氮14，氮14在结合一个氦核就会变成稳定的氧16，核聚变的反应到这里基本上就结束了。

但是在以上的反应中会生成很多的自由中子，那自由中子被已经生成的元素捕获以后，就会产生更多的、更重的元素，其中氟元素就是氧元素捕获了中子衰变以后形成的。

那通过以上氟的形成模型，科学家就发现无法解释NGP-190387星系中氟元素的丰度，这说明氟的产生还有我们不知道的途径。

主要是因为在宇宙的早期像太阳这样的恒星数量并不多，更多的是一些质量更大、温度更高、颜色更蓝的恒星，比如有一类特别奇怪的恒星，它在宇宙早期中数量就很多，叫沃尔夫·拉叶星。

之所以叫这样的名字是因为这个类型的恒星是在1867年的时候由法国人沃尔夫和拉叶两个人发现的，这种恒星之所以奇怪是因为在其他大部分恒星的光谱中都是一些很明显的吸收线，比如在太阳光谱中就可以看到大量的暗线，这些都各种元素的原子和离子的吸收线。

但沃尔夫·拉叶星中没有吸收线，只有很强、很亮、很宽的发射线，上图就是WR137的光谱，它是最早被发现的3颗沃尔夫·拉叶星之一，可以看出它有很明显的发射谱线。

所以我们根据发射光谱就把沃尔夫·拉叶星分成了三类：WN型、WC型和WO型，在WN型中有强烈的氦和氮发射谱线，在WC型有强烈的氦、碳和氧发射谱线，在WO型中跟WC型一样，只不过氢发射谱线更加强烈一些。

那这种恒星为什么这么奇怪？因为它们的质量很大，最低的都在10个太阳质量以上，基本上这类恒星都是O型恒星，更重要的这种恒星在燃烧氢的时候都非常的猛烈，会大量地向外抛洒物质，在恒星的周围形成一个气壳，所以这种恒星的寿命不长，只有百万年左右。

那当这种恒星燃烧完氢，进行氦聚变发展到晚期的时候，从蓝巨星到红巨星之间转换不了多久，很快就会把自身的外壳全部吹散，把内核暴露出来。

虽然留下的核心体积不大，但质量依旧惊人，所以依然进行着核聚变，在其表面依然有少量的氦在燃烧，而且自转非常快，温度非常高，因此核心表面的一些重元素就发出了很强的谱线，而在一般的恒星外表温度都很低，所以只能让元素产生吸收线，不能产生发射线。等内核彻底停止核聚变以后，就会塌缩成一个黑洞

正是这种奇怪的恒星，科学家就猜测，它在变成红超巨星的时候，也可以通过中子捕获产生氟元素，可以为早期宇宙中的氟做出解释。而我们以前认为这种恒星并不是氟元素的主要来源，看来是错了。

所以通过对早期星系元素丰度的观察，可以告诉我们各种元素在宇宙中富集的时间，以及形成的过程。

通过对氟的观察，我们已经确信宇宙在很早的时候，就已经产生了丰度非常高的氟，而且还形成氟化物，如果宇宙在那个时候诞生生命的话，这些生命一定也会有一口健康的大白牙。因为氟元素是保护牙齿最重要的元素。

研究发表在《自然·天文学》