在南极冰层中寻找星尘

北京大学 徐仁新 编译自Rachel Berkowitz. Physics，May 13，2026

本文选自《物理》2026年第6期

在过去数万年内，太阳系一直在穿越本星际云LIC (local interstellar cloud)，它是太阳附近15个由气体和尘埃构成的星际云之一。此前在南极地表雪中已发现了可能来自LIC的尘埃；铁同位素示踪分析研究显示，这些尘埃应该产生于超新星。如今，在深埋南极的冰层中，德国德累斯顿研究中心Koll领导的团队再次发现了铁同位素60Fe的增丰。他们从几百公斤的冰芯中提纯并分析了微量的60Fe，并推断：60Fe很可能来自LIC，该星际云起源于史上一次超新星爆发活动。

地质史上超新星核合成60Fe的沉积率(按时间倒序，0为现在)。南极冰给出的星际60Fe沉积率低于南极雪和深海沉积物测量值，反映了过去8万年期间太阳系穿越LIC过程中星际60Fe沉积率的变化

诚然，当太阳系在银河系运动时会经过疏密不等的星际介质区域 (本文据“Koll D et al. Phys. Rev. Lett.，2026，136：192701”补充而成。——译者注)。在太阳周围15 pc之内，分布着15个热而弥散的星际云团，温度为(0.5—1)×104 K、数密度为 0.1—0.2 cm-3。每一团星际云具有不同的特定运动速度，但它们作为一个整体(通常又称作本星际云复合体，其整体运动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，其温度是(1—100)×104 K、数密度是0.005 cm-3。本地泡的成因有待深入研究，但一般认为可能起源于一千万年前天蝎半人马座星协中近二十颗超新星爆发驱动的外流。人们推测，本星际云复合体可能形成于约120万年前上半人马座-豺狼星团的一次超新星爆炸，其遗迹在压力驱动下膨胀并扫过星际介质。

太阳系正穿越的LIC就是本星际云复合体中15个小型星际云之一，它于13万年前才形成，总质量约0.3M⊙。基于天文观测估计，太阳系约在4至12万年前进入LIC。2至6千年后，太阳系将离开LIC并进入相邻的G云。值得一提的是，在过去一二十万年内超新星合成放射性核素的地质沉积物中，很可能已经记录了超新星对本星际云复合体的影响。

超新星爆炸可合成放射性核素60Fe，其衰变(
)的半衰期为2.6百万年。此前人们已在水成型铁锰结壳、深海沉积物以及月壤中发现过60Fe，其输入地球的丰度有两个峰值期(大约在两百万年、七百万年之前；左下图只展示了二百万年前的峰值)；这为过去一千万年内近地超新星的一些活动提供了证据。超新星爆发后，因降温而凝结成的尘埃会吸附60Fe；同时这些星尘也作为60Fe的载体被带入地球。不过，在本星际云复合体形成之前，几百万年前的超新星事件就已记录在地质沉积物中。可见，太阳系过去穿行的距离应该远大于本星际云复合体的空间尺度。

沉积于地球冰盖中的气体和尘埃会记录过去的星际环境变迁。Koll等采集了近300 kg南极冰芯，时间上对应于4万至8万年前的历史时期。他们将冰融化后提取了放射性核素，并使用质谱仪测量60Fe和53Mn。注意，宇宙射线轰击行星际尘埃时也会产生60Fe和53Mn，但60Fe/53Mn的丰度比可用于区分超新星合成或宇宙线成因的60Fe。核武器和反应堆虽也能产生60Fe，但其贡献可以忽略不计。经过仔细分析，研究人员发现测得的60Fe含量远超预期，推断多余的铁应该来自太阳系外的星际空间。

结合南极雪和最近深海沉积物的测量结果，Koll团队重建了过去8万年间星际60Fe输入地球的流量。不同历史时期的测量值显示，60Fe流量在太阳系初入本星际云LIC时非常低(图中青绿色倒三角，本次实验结果)，但在穿越LIC时达到高峰(红色方块)，之后在接近LIC出口时逐渐下降(蓝色三角)。

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