宇宙尘埃是恒星、行星和生命本身化学演化的关键，但它的组成还不是很清楚，目前也还不能收集样本进行分析。有几个例子以陨石中的行星际尘埃和彗星尘埃形式到达地球，但它们复杂的历史意味着可能不具代表性。因此，研究宇宙尘埃性质的主要方法是天文观测和模拟物质的实验室实验。宇宙尘埃大致分为烟灰状碳颗粒和更丰富的耐火硅酸盐颗粒，这两种颗粒都是从垂死恒星中喷出的。

观测告诉我们，红巨星周围的尘埃中既有无定形硅酸盐，也有结晶硅酸盐。但星际介质(ISM)中只有无定形硅酸盐。在发表在《天文学与天体物理学》期刊上的研究中，由斯蒂芬·汤普森博士领导的一组钻石研究人员证明：微波干燥可用于廉价且容易地生产无定形Mg-Fe硅酸盐。然后通过原位热退火研究了结晶情况，并在模拟原行星圆盘中的尘埃颗粒背景下考虑了结果。尘埃是最早形成的固体物质，研究宇宙尘埃是天体物理学中一个非常活跃的领域。

我们不能精确地复制地球上宇宙尘埃的形成条件，也没有一种在实验室产生类似尘埃样本的方法，可以模拟在恒星周围和星际介质中观察到的所有尘埃。然而，通过创建和表征这些样本，并将它们与天文数据进行比较，找出相似之处和不同之处，增加了对宇宙对应物的形成、组成和演化的理解。其中溶胶-凝胶法是一种从小分子制备固体材料的化学方法。溶胶-凝胶的稠度类似于护手霜，必须干燥才能形成灰尘样品。

风干大约需要24小时，对于希望生产多个样品的研究人员来说，这是非常耗时的。生产类似尘埃样品另一个挑战面是铁的夹杂，铁在地球上往往会形成在太空中看不到的铁锈(氧化铁)。虽然在恒星和行星中看到了铁的证据，但在星际介质中没有看到它，这就是“缺铁”问题，一种可能的解释是纳米颗粒中的铁太小而看不见。另一个原因是铁被“锁在”硅酸盐矿物中，数量太少(不到10%)，不会影响尘埃的光谱特性。

使用溶胶-凝胶将铁结合到硅酸盐结构中需要特殊的干燥条件，研究团队之前曾开发出一种真空干燥过程。然而，这项研究工作从头到尾都需要几天时间才能完成。因此，研究人员研究了是否可以加快模拟样品的生产，并使用现成方法生产含铁的硅酸盐粉尘。研究小组研究了含铁和不含铁的微波干凝胶，并用X射线粉末衍射和光束线I11上的总X射线散射、I22上的小角X射线散射和中红外FTIR光谱研究了它们的性质。

并将微波干燥的样品与相同凝胶生产的样品进行了比较，但使用传统空气烘箱和真空炉进行了常规干燥。研究结果表明，这是一种制作模拟粉尘样品的优良、快速、简便、廉价的方法。该研究小组希望它能被其他地方的实验室物理学家采用，但它也可以有工业应用，例如作为生产纳米结构材料的一种手段。这项研究的下一阶段是研究非晶态样品在受热时会发生什么。观测显示，老恒星喷出无定形硅酸盐矿物。一旦进入星际介质，它们最终会进入恒星形成区域，并积聚在原行星盘中。

即围绕年轻恒星旋转的致密气体和尘埃盘。在原行星盘盘中，尘埃颗粒被加热，并最终结晶成可识别的矿物。因此，原行星盘代表了恒星诞生和行星形成之间的演化阶段。原行星盘离恒星越近越热，所以了解这些矿物结晶的温度，可以告诉我们它们会在圆盘中的什么位置，以及它们在那里呆了多长时间。发现即使向硅酸盐矿物中添加少量的铁，也会极大地提高它们的结晶温度。事实上，在整个圆盘的大部分地区，任何含铁的硅酸盐都将保持无定形状态。

这与天文学家的观测结果相符，即大多数都存在富含镁的矿物。还发现在不含铁的硅酸盐中形成了少量微晶石(一种高温二氧化硅矿物)。同样，在原行星盘中也观察到了少量的SiO2，更重要的是，在星尘样本返回任务中发现的早期太阳系彗星物质中也发现了SiO2。作为太阳系中形成的第一个小行星，彗星长期以来一直被认为是我们太阳系形成过程中遗留下来的物质储存库，这一过程本应从太阳的原行星盘开始。

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博科园｜研究/来自：Diamond Light Source

参考期刊《天文学与天体物理学》

DOI: 10.1051/0004-6361/201834691

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