国科大苏刚研究团队提出星际介质中紫外消光峰物理来源的新见解
凝聚态理论与计算材料物理实验室
近日，苏刚教授研究团队基于氢化的T碳分子团簇提出新模型，对困扰人们半个多世纪的银河系星际介质中2175埃紫外消光峰的物理来源给出新解释，理论结果与实验观测相当吻合，相关研究成果最近发表于天文学国际权威期刊《皇家天文学会月刊》 (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 497, 2190-2200 (2020), DOI: 10.1093/mnras/staa2061)。
1965年，美国马里兰州格林贝尔特戈达德太空飞行中心的科学家Theodore P. Stecher利用探空火箭测量五个恒星的1200至3000埃的紫外波段消光光谱时，首次观察到波长为2175埃的消光峰(ApJ 142, 1683 (1965))。随后，多个卫星观测证实在银河系的数十个星系中普遍存在2175埃的消光峰。对众多星系的大量观测研究表明，在星际介质中2175埃消光峰几乎无处不在，并且十分显著。最近的天文观测也显示这种神秘的2715埃消光峰甚至存在于类星体中。目前，天文学界广泛认为2715埃消光峰应该来自于碳物质。然而，经过半个多世纪的深入研究，这种消光峰的确切物理来源至今仍不清楚。虽然科学家已经提出了包括石墨、无定形碳、金刚石和多环芳香烃等传统的碳物质作为候选载体去解释其物理来源，但各自都存在一定的局限性，到现在为止仍然没有取得广泛共识。因此，如何解释星际介质中神秘的2715埃消光峰，目前仍是困扰人们的一大谜题。
最近，来自中国科学院大学的苏刚研究团队提出新模型，对星际介质中2715埃消光峰的物理来源给出全新解释。他们通过研究提出了一个混合物模型，指出星际介质中的2175埃紫外消光峰与氢化的T-碳分子（hydrogenated T-carbon molecule，分子式为C40H16，简称HTC，其结构如图1所示）团簇可能密切相关。氢化的T-碳（HTC）分子是一种新的碳物质，目前尚未见到在实验室合成。他们通过计算发现，HTC分子的紫外光谱在2175埃处具有非常显著的吸收峰。通过该模型，他们将HTC混合物、石墨、MgSiO3和Fe2SiO4的吸收谱进行线性组合，结果发现银河系中任选的六个星系的紫外消光谱都可以被很好地拟合。
几年前，苏刚研究团队提出了一种新型的碳同素异构体，命名为T-carbon（T-碳）(PRL 106, 155703 (2011))，引起了国内外同行的极大兴趣，也导致后续一系列针对此新结构的大量深入研究，发现T-碳在储氢、锂电池、热电、光催化、太阳电池、超导、拓扑物态等领域都具有重要的应用前景。T-碳是通过将金刚石中每个碳原子替换为碳四面体得到的碳的新结构，具有sp3杂化特征和较低的密度。最近，利用不同的实验方法，科学家们已经在实验室分别成功地将T-碳制备出来(Zhang J et al., Nat. Commun, 8, 683 (2017) ; Xu K et al., Carbon 157, 270 (2020))。通过实验测量T-碳的紫外吸收光谱，研究人员发现其吸收峰位于2250埃，十分接近2175埃。通过进一步计算发现，T-碳比较容易在负压环境中形成，这意味着T-碳及其碎片（分子或者团簇）可能易于在星际空间中以某种形式存在。这些研究结果显示T-碳或许与星际介质中2175埃的消光峰有关。考虑到星际空间充满了氢，在星际空间中的T-碳也有可能会以氢钝化的分子或团簇形式存在，从而形成氢化的T-碳（HTC）分子或团簇。
图1 氢化的T-carbon分子(HTC分子式为C40H16)的结构示意图。红色和黄色的球分别代表碳原子和氢原子。
苏刚团队计算了HTC分子的紫外吸收光谱，发现在2175埃处HTC分子具有非常明显的吸收峰，表明星际介质中2175埃紫外消光峰的物理来源很可能与氢化的T-碳分子或团簇存在密切联系。他们提出了一个基于HTC分子的混合物模型，计算发现HTC分子团簇混合物在2175埃处仍具有显著吸收峰。此外，由于硅酸盐和含镁和铁的橄榄石以及石墨颗粒也会是星际介质的成分，所以在此模型中也考虑了铁橄榄石(Fe2SiO4)、顽火辉石(MgSiO3)和石墨的紫外吸收光谱。
通过线性组合HTC分子团簇混合物、石墨、MgSiO3和Fe2SiO4的紫外吸收光谱，发现在银河系中任选的六个星系(BD582292、HD239689、HD239742、HD239722、HD283800和HD147889)的紫外消光曲线按照此模型都可以被很好地拟合出来（如图2所示）。
图2 (a) BD582292，(b) HD239689，(c) HD239742，(d) HD239742，(e) HD283800和(f) HD147889六个星系的归一化紫外消光曲线拟合结果。菱形表示观测数据，红色实线是拟合曲线，其他线条在(a)的图例中已标示。每个图中算式的系数表示四种成分(HTC混合物、石墨、MgSiO3和Fe2SiO4)按百分比给出的不同柱密度比。
图3 银河系星际介质中对2175埃消光峰有贡献的组成成分示意图。背景是由美国宇航局和欧洲太空局的哈勃太空望远镜拍摄的星云图（已获许可）。
这项研究通过提出新模型对银河系星际介质中2175埃紫外消光峰的物理来源给出了一个全新的解释，指出具有2175埃吸收峰的HTC分子的团簇混合物可能在解释星际介质2175埃消光峰的物理来源中起着重要作用。由于这项工作有助于解开这个存在长达半个多世纪的重要谜题，期望未来针对HTC分子及其团簇有更多的天文观测和实验室的研究工作出现。
该论文的第一作者是国科大物理学院的博士生马星宇，第二作者是国科大的本科生朱炎炎。这项工作得到了国家重点研发计划、中国科学院、国家自然科学基金委和北京市科委的资助，相关计算在中国科学院超级计算中心的平台上完成。
