作者:詹姆斯·杰赫，《对话》
弗卢里德是由沃尔夫-拉叶星创造的，这里是哈勃太空望远镜在银河系中看到的
信用:美国宇航局/朱迪施密特，CC BY-SA 4
0 看看牙膏管上的成分，你可能会读到类似“含有氟化钠
“你可能知道，氟化物对健康的牙齿很重要
它能强化牙齿周围坚硬的保护层珐琅质，从而有助于预防蛀牙
你可能不会对牙膏想得太深
但是像地球上所有的东西一样，从宏伟的到平凡的，氟化物——和微笑的故事——有一个宇宙起源
现在，我和我的同事在《自然天文学》上发表了一篇论文，对它有所启发
几乎所有的自然元素都是在宇宙历史的很久以前形成的
氢是最古老的元素:它形成于大爆炸后不久，大约140亿年前
在大爆炸的几分钟内，轻元素氦、氘和锂也在一个叫做大爆炸核合成的过程中形成
从那以后，几乎所有其他元素都是在与恒星生死相关的过程中形成的
但是那些星星并不总是在身边
我们仍然不知道宇宙中第一批恒星是什么时候点燃的，但它可能在大爆炸后大约1亿年左右才发生
在此之前，宇宙中弥漫着一层氢雾，夹杂着天文学家称之为暗物质的神秘无形物质
这场雾并不平滑，但有波纹——有些地方密度稍大
正是这些区域开始收缩，或由于重力而“坍塌”，形成了第一批星系
在气体密度足够大的地方，恒星点燃并照亮了宇宙
接下来的几十亿年是一个快速增长的时期:宇宙中恒星形成的速度急剧上升，直到80到100亿年前达到顶峰
自从那个“宇宙中午”以来，宇宙中恒星形成的总体速度一直在下降
这就是为什么天文学家对宇宙历史的早期阶段如此感兴趣:当时发生的事情塑造了我们今天看到的周围
虽然我们有很多关于星系如何从恒星形成的角度“加速”增长的信息，但我们对它们最早期的化学演化却知之甚少
这一点很重要，因为随着恒星的生与死，它们产生的元素会分散在整个星系内外
许多年后，其中一些元素可以形成像我们这样的新行星
哈勃太空望远镜看到的古老星系
信用:美国航天局/欧空局 快速进化 我们用阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列(Alma)观测了一个名为NGP-190387的遥远星系，这是一台探测波长约为1毫米的光的望远镜
这使我们能够看到遥远星系中冷尘埃和气体发出的光
这些数据揭示了一些意想不到的事情:波长正好为1的光线有所下降
32毫米
这正好对应于由氢原子和氟原子组成的分子氟化氢(HF)吸收光的波长(考虑到宇宙膨胀引起的波长偏移)
光线不足意味着银河系中存在氟化氢气体云
这种光花了超过120亿年才到达我们这里，我们看到了宇宙1岁时的银河系
40亿年前
这是令人兴奋的，因为它提供了星系最初形成后不久如何富含化学元素的信息
我们可以看到，即使在早期，NGP-190387也有很高的氟含量
虽然我们在遥远的星系中观察到了其他元素，如碳、氮和氧，但这是首次在如此遥远的恒星形成星系中检测到氟
我们在早期星系中观察到的元素种类越多，我们对当时化学富集过程的理解就越好
我们知道氟可以以不同的方式产生:例如，在被称为超新星的恒星爆炸中，以及在某些“渐近巨型分支”恒星中——红色的超级巨星接近生命的尽头，燃烧了其核心中的大部分氢和氦，现在体积膨胀了
元素如何在恒星和超新星中形成的模型可以告诉我们应该从这些来源中获得多少氟
我们发现NGP-190387中的氟含量太高，无法用超新星和渐近巨分支星来解释
需要一个额外的来源，这可能是另一种被称为沃尔夫-拉叶星的恒星
沃夫-瑞叶星非常罕见——例如，在银河系中只有几百个编目
但它们是极端的
沃夫-瑞叶星是大质量恒星生命周期中的一个阶段，其质量是我们太阳的十倍以上
在他们短暂的生命即将结束时，这些恒星在其核心燃烧氦，并且比太阳亮数百万倍
不同寻常的是，沃夫-瑞叶星由于强风而失去了氢包层，氦核暴露在外
它们最终将在剧烈的核心坍塌超新星爆炸中爆炸
当我们把沃夫-瑞叶星预期的氟含量加入到我们的模型中时，我们最终可以解释NGP-190387的光下降
这增加了越来越多的证据，表明星系的增长在早期宇宙中惊人地快:恒星形成和化学浓缩的狂热
这些过程为我们今天看到的宇宙奠定了基础，这项工作为120亿年前发生的详细天体物理学提供了新的见解
但也许最主要的收获是，它表明你微笑的故事是一个和时间一样古老的故事
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