年轻恒星在哪里烧掉它的碳

碳是我们所知生命的骨架：占人体干重的一半以上。然而地球却奇怪地缺碳。按质量比例计算，我们这颗行星的岩石总体所含的碳，比太阳、也比孕育地球的星际尘埃少约四个数量级——即一万倍。人们提出了多种解释，从紫外线到氧化，但没有一种能完全说清楚。

一个嫌疑对象是热。尘埃颗粒中的碳有多种形式——类似烟灰的无定形碳、碳氢化合物、石墨——它们在不同温度下分解。从大约500开尔文起，即烟灰线（soot line），最易挥发的形式就会逸出；到约1,200开尔文时，连无定形碳也消失了。早先的研究估计，这种加热必定发生在地球形成后的头一百万年内。

一颗处于“零时刻”的恒星

HOPS-68是猎户座分子云中一颗非常年轻的恒星，距离约414秒差距。同一团队的一项配套研究表明，它内盘的中部温度达到1,400开尔文——热得足以让所有尘埃汽化。我们的太阳系也经历过这样一个阶段：那是陨石记录中的“零时刻”，当时富含钙和铝的颗粒在年轻太阳附近从炽热的气体中凝结出来。已知只有两颗年轻的低质量恒星是处于这一时刻的候选者，两颗都在猎户座。

莱顿大学的F. J. Ballieux、M. K. McClure及其同事，与美国和德国的合作者一起，现在研究了它光谱中的碳。这份光谱由JWST的中红外仪器拍摄，并结合了ALMA（亚）毫米波阵列的存档数据。

满是碳氢化合物的光谱

HOPS-68的光中交织着许多含碳分子的指纹：

• 温暖的氰化氢和乙炔，温度分别约为320和430开尔文，数量很大——大约是另一颗“零时刻”恒星周围的20倍。它们相对于恒星以每秒39至53千米的速度朝我们运动，就像那些示踪着从盘上吹出的风的含氧气体一样；
• 较冷的分子，温度约为40至55开尔文，包括丁二炔（C₄H₂）、甲基自由基和一硫化碳，可能位于外盘，或者沿着恒星外流所凿出的空腔的壁分布；
• 己三炔（C₆H₂），一条由六个碳原子组成的链，这是它首次在年轻恒星周围被探测到。

ALMA又提供了一条线索：C₂H自由基分布在外流空腔的壁上，随喷流向外运动，而不是向内落下。

碳破坏区

作者们提出了一种情景。在烟灰线与连无定形碳也会汽化的位置之间——大约500至1,200开尔文——存在一个他们称为“难熔碳破坏区”的区域：在那里，所有固态碳都离开颗粒，变成气体。在HOPS-68，温度极高的内区把这个区域向外推，并使它扩大。释放出来的碳随后要么被恒星吞噬，要么被盘风带走。

无论哪种情况，岩质行星形成区域中的尘埃都会失去它的碳。团队认为，同样的过程可能促成了地球的碳亏缺。风究竟带走了多少碳，仍有待测量。

在更远处，紫外线把乙炔打碎成C₂H，C₂H再与更多乙炔反应，构建出C₄H₂和C₆H₂之类更长的链。在900至1,100开尔文之间，破坏区甚至可能像火焰中那样锻造出多环芳烃——这一点仍有待证实。

从原恒星到小行星

这项研究有两个更广泛的影响。首先，在其他年轻恒星周围看到的碳链，通常被归因于从周围包层落入的气体；而在HOPS-68，它们显然是向外流出的，这表明这种化学过程示踪的可能反而是外流。

其次，从小行星龙宫（Ryugu）和贝努（Bennu）带回的样品中含有丰富的链状（“脂肪族”）有机物。由于HOPS-68的长链在风的外侧形成，它们不会被吹走；它们之后可能会落回外盘。作者们认为，这样的碳链可能为小行星和陨石中的有机物做出了贡献。如果是这样，HOPS-68将在同一个年轻系统中，既展示那些陨石颗粒的形成，又展示包裹着它们的富碳物质——成为理解行星系统最早一批小天体如何形成的一块罗塞塔石碑。