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人見人愛的「黃金」竟是天外來客

太陽系的重金屬元素如黃金和鉑的來源引起了天文學家的極大興趣。其中最流行的理論是,中子星碰撞後,緻密物質飛濺到太空中。

然而,新研究已經發現了另一源頭:經常被忽視的超新星。研究人員斷言,它們可能製造了宇宙中至少80%的重元素。

討論涉及特殊的坍縮超新星——來自快速旋轉的恆星,質量超過太陽30倍;在坍縮成黑洞前,它們會以極其壯觀的方式自我爆炸。

「對中子星合併的研究使我們相信,在一種非常特殊的恆星爆炸並誕生黑洞的過程中,可以製造出比中子星合併更多的黃金。」圭爾夫大學的物理學家Daniel Siegel說。

2017年對中子星碰撞事件的觀測,首次證明它們確實會產生重元素。根據GW170817案例中的收集到的電磁信號,科學家發現了重金屬元素的痕迹,包括金、鉑和鈾。

強大爆炸,如超新星或恆星合併,可以觸發快中子俘獲過程,或叫r-過程——一系列核反應,其中原子核與中子碰撞併合成比鐵更重的元素。

需要足夠迅猛的反應,在更多的中子被打入原子核之前,沒有機會發生放射性衰變。這意味著需要存在大量自由中子的環境,如爆發的恆星。

在GW170817的記錄中,中子星合併後,在迸發的物質盤中檢測到了r-過程的產物。經過消化數據和縝密思考,Siegel和他的團隊意識到,其他類型的宇宙天體大爆炸,也應該能製造出一樣的效果。

因此,藉助超級計算機,他們模擬了超新星的物理特性。「我們看到的這些重元素有80%來自坍塌的恆星。」西格爾說。

「在超新星爆發時,坍塌是相當罕見的,甚至比中子星合併更為罕見——但它們射入太空的物質量遠遠高於中子星合併。」

此外,他們指出,模擬中這些元素的數量和分布與地球上的「驚人相似」。

那麼這是否意味著地球上佔總質量0.3%的r-過程元素,並非前幾年物理學所發現的,來自46億年前的中子星碰撞?嗯,不一定。根據Siegel的模擬參數,這些元素中高達20%仍可能來自中子星和黑洞。

該團隊寄希望於詹姆斯韋伯太空望遠鏡(目前計劃於2021年發射)。它的高靈敏儀器可以檢測到遙遠星系中的坍縮超新星的輻射,以及銀河系中的元素丰度。

「確定重元素的來源可能有助於我們了解星系的化學演化方式以及星系的形成過程。」Siegel說,「實際上可能有助於解決宇宙學中的一些重要問題,因為重元素是一個很好的線索。」

該研究發表在Nature上。

責任編輯: 時方   來源:自然 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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