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在我们的宇宙中,黄金的真正起源可能又一次发生了变化

新浪科技 2020-09-18

  据国外媒体报道,当人类最终在2017年检测到两个中子星之间的碰撞后,我们终于证实了一个一直以来所坚持的理论,即比铁更重的元素形成于这些大爆炸的高能火焰之中。

  以及因此,我们相信这也解释了这些重元素(包括金元素)是如何在整个宇宙中传播的。

  然而,新的研究提出了一个问题。根据新的星系化学演化模型,中子星碰撞产生的重元素丰度甚至都及在当今银河系中观测到的重元素丰度。

  “在宇宙初期,中子星合并并不会产生足够的重元素。并且,140亿年之后,它们依然不会,”莫纳什大学的天体物理学家阿曼达·卡拉卡斯说,“宇宙制造这些重元素的速度还不够快,不足以解释重元素在古老恒星中的存在,以及总的来说,就是碰撞的数量还不够多,因此无法解释当今宇宙中的重元素丰度。”

  恒星是产生宇宙中大部分元素的熔炉。在早期的宇宙中,最初的夸克汤冷却到足以积聚物质后,就形成了氢和氦——这两种依然是宇宙中含量最丰富的元素。

  当这些物质块在引力作用下聚集在一起时,第一批恒星就形成了。恒星的核心,是核聚变熔炉。它们把氢聚合成氦;又把氦聚合成碳;依此类推,较轻的元素耗尽后就继续用较重的元素聚合更重的元素,直到聚合成铁元素为止。铁元素本身也可以聚合,但这个过程消耗的能量太多——超出了聚合本身可以产生的能量。因此,铁核即终点。

  卡拉卡斯说:“我们可以把恒星想象成一口创造新元素的巨型高压锅。制造这些元素的反应也为恒星提供能量,使其能够发光发热数十亿年。随着恒星慢慢衰老,它们内部的温度会逐渐升高,产生越来越重的元素。”

  如果要产生比铁更重的元素(例如金、银、钍和铀),就需要依靠快中子捕获过程,也叫R-过程。R-过程可能发生于真正的高能爆炸中,该爆炸会产生一系列核反应,其中原子核与中子碰撞,合成比铁更重的元素。

  但问题是,这个过程必须非常地快,快到放射性衰变在原子核捕获更多中子之前根本来不及发生。

  我们已经知道,中子星碰撞产生的千新星爆炸是一个足以产生R-过程的高能环境。这是没有争议的。但是,若要产生我们观测到的这么多重元素,我们需要找到中子星碰撞的一个最小频率。

  为弄清楚这些元素的来源,研究人员利用银河系中最新的天体物理观测和化学丰度,为从碳到铀等所有的稳定元素构建了星系化学演化模型,其中包括理论上的核合成产量和事件发生率。

  他们用一张周期表列出了自己的工作,这张表显示了所有建模元素的来源。并且,他们在研究结果中发现,从宇宙初期到现在,中子星并吞频率不足。相反,他们认为,可能的解释或许是另一种超新星。

  这些超新星被称为磁转动超新星,并且它们产生于具有强磁场的大型快速旋转的恒星核心坍塌之时。这些超新星爆炸也被认为具有足够的能量,可以产生R-过程。如果质量介于25个到50个太阳之间的恒星中,哪怕只有一小部分的超新星爆炸是磁转动超新星爆炸,其结果也可以弥补这一差异。

  “哪怕是对中子星并吞频率最乐观的估计,也无法解释宇宙中这些元素的丰富含量,”卡拉卡斯说,“这确实令人惊讶。因为这看起来仿佛是,具有强磁场的快速旋转的超新星才是这些大多数元素的真正来源。”

  先前的研究还发现一种被称为“崩塌星超新星”的超新星也可以产生重元素,即一颗质量超过30个太阳的快速旋转的恒星在崩塌成黑洞之前变成超新星。一般认为,这种超新星爆炸比中子星碰撞更加罕见,但它们也可能是产生重元素的一个因素——而且与该研究团队的其他发现也十分吻合。

  该研究团队发现,质量小于8个太阳的恒星会产生碳、氮、氟以及比铁更重的所有元素中的近一半元素。质量超过8个太阳的恒星则会产生生命所需的大部分氧和碳,以及碳到铁之间的大部分剩余元素。

  “除了氢之外,没有哪一种元素只能由一种恒星产生,”英国赫特福德大学的天体物理学家小林千秋解释说,“一半的碳来自濒死的低质量恒星,而另一半碳则来自超新星。一半的铁来自大质量恒星的正常超新星爆炸,而另一半的铁则来自Ia超新星。Ia超新星则产生于低质量恒星的联星系统。”

  地球上约0.3%的金和铂原本可追溯到约46亿年前的中子星碰撞。但新的发现并不一定意味着,这些金和铂的起源历史就要改写。

  而且我们探测引力波才五年而已。随着我们的设备和技术的改进,日后我们发现的中子星碰撞事件可能会比我们现在观测到的更加频繁。

  还有一个奇怪的结果就是,研究人员的模型产生的银元素比实际观测到的多,而金元素却比实际观测到的少。这就说明,模型还需要调整和改进。可能是计算的问题,也可能是我们对恒星核合成的了解还不够全面。(匀琳)

责任编辑:王超

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