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中子星碰撞產生的重元素豐度甚至都及在銀河系中觀測到的重元素豐度

中子星碰撞產生的重元素豐度甚至都及在銀河系中觀測到的重元素豐度

中子星碰撞產生的重元素豐度甚至都及在銀河系中觀測到的重元素豐度

(神秘的地球uux.cn報道)據新浪科技(勻琳):國外媒體報道,當人類最終在2017年檢測到兩個中子星之間的碰撞后,我們終于證實了一個一直以來所堅持的理論,即比鐵更重的元素形成于這些大爆炸的高能火焰之中。以及因此,我們相信這也解釋了這些重元素(包括金元素)是如何在整個宇宙中傳播的。然而,新的研究提出了一個問題。根據新的星系化學演化模型,中子星碰撞產生的重元素豐度甚至都及在當今銀河系中觀測到的重元素豐度。

“在宇宙初期,中子星合并并不會產生足夠的重元素。并且,140億年之后,它們依然不會,”莫納什大學的天體物理學家阿曼達·卡拉卡斯說,“宇宙制造這些重元素的速度還不夠快,不足以解釋重元素在古老恒星中的存在,以及總的來說,就是碰撞的數量還不夠多,因此無法解釋當今宇宙中的重元素豐度。”

恒星是產生宇宙中大部分元素的熔爐。在早期的宇宙中,最初的夸克湯冷卻到足以積聚物質后,就形成了氫和氦——這兩種依然是宇宙中含量最豐富的元素。

當這些物質塊在引力作用下聚集在一起時,第一批恒星就形成了。恒星的核心,是核聚變熔爐。它們把氫聚合成氦;又把氦聚合成碳;依此類推,較輕的元素耗盡后就繼續用較重的元素聚合更重的元素,直到聚合成鐵元素為止。鐵元素本身也可以聚合,但這個過程消耗的能量太多——超出了聚合本身可以產生的能量。因此,鐵核即終點。

卡拉卡斯說:“我們可以把恒星想象成一口創造新元素的巨型高壓鍋。制造這些元素的反應也為恒星提供能量,使其能夠發光發熱數十億年。隨著恒星慢慢衰老,它們內部的溫度會逐漸升高,產生越來越重的元素。”

如果要產生比鐵更重的元素(例如金、銀、釷和鈾),就需要依靠快中子捕獲過程,也叫R-過程。R-過程可能發生于真正的高能爆炸中,該爆炸會產生一系列核反應,其中原子核與中子碰撞,合成比鐵更重的元素。

但問題是,這個過程必須非常地快,快到放射性衰變在原子核捕獲更多中子之前根本來不及發生。

我們已經知道,中子星碰撞產生的千新星爆炸是一個足以產生R-過程的高能環境。這是沒有爭議的。但是,若要產生我們觀測到的這么多重元素,我們需要找到中子星碰撞的一個最小頻率。

為弄清楚這些元素的來源,研究人員利用銀河系中最新的天體物理觀測和化學豐度,為從碳到鈾等所有的穩定元素構建了星系化學演化模型,其中包括理論上的核合成產量和事件發生率。

他們用一張周期表列出了自己的工作,這張表顯示了所有建模元素的來源。并且,他們在研究結果中發現,從宇宙初期到現在,中子星并吞頻率不足。相反,他們認為,可能的解釋或許是另一種超新星。

這些超新星被稱為磁轉動超新星,并且它們產生于具有強磁場的大型快速旋轉的恒星核心坍塌之時。這些超新星爆炸也被認為具有足夠的能量,可以產生R-過程。如果質量介于25個到50個太陽之間的恒星中,哪怕只有一小部分的超新星爆炸是磁轉動超新星爆炸,其結果也可以彌補這一差異。

“哪怕是對中子星并吞頻率最樂觀的估計,也無法解釋宇宙中這些元素的豐富含量,”卡拉卡斯說,“這確實令人驚訝。因為這看起來仿佛是,具有強磁場的快速旋轉的超新星才是這些大多數元素的真正來源。”

先前的研究還發現一種被稱為“崩塌星超新星”的超新星也可以產生重元素,即一顆質量超過30個太陽的快速旋轉的恒星在崩塌成黑洞之前變成超新星。一般認為,這種超新星爆炸比中子星碰撞更加罕見,但它們也可能是產生重元素的一個因素——而且與該研究團隊的其他發現也十分吻合。

該研究團隊發現,質量小于8個太陽的恒星會產生碳、氮、氟以及比鐵更重的所有元素中的近一半元素。質量超過8個太陽的恒星則會產生生命所需的大部分氧和碳,以及碳到鐵之間的大部分剩余元素。

“除了氫之外,沒有哪一種元素只能由一種恒星產生,”英國赫特福德大學的天體物理學家小林千秋解釋說,“一半的碳來自瀕死的低質量恒星,而另一半碳則來自超新星。一半的鐵來自大質量恒星的正常超新星爆炸,而另一半的鐵則來自Ia超新星。Ia超新星則產生于低質量恒星的聯星系統。”

地球上約0.3%的金和鉑原本可追溯到約46億年前的中子星碰撞。但新的發現并不一定意味著,這些金和鉑的起源歷史就要改寫。

而且我們探測引力波才五年而已。隨著我們的設備和技術的改進,日后我們發現的中子星碰撞事件可能會比我們現在觀測到的更加頻繁。

還有一個奇怪的結果就是,研究人員的模型產生的銀元素比實際觀測到的多,而金元素卻比實際觀測到的少。這就說明,模型還需要調整和改進。可能是計算的問題,也可能是我們對恒星核合成的了解還不夠全面。




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