在我们的宇宙中 黄金的真正起源可能又发生了变化

2020-09-18 15:18 来源:新浪科技

据国外媒体报道,在2017年人类终于探测到两颗中子星相撞后,我们终于证实了一个理论,即这些大爆炸的高能火焰中形成了比铁重的元素。

因此,我们认为这也解释了这些重元素(包括金)是如何在宇宙中扩散的。

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是今天银河系观测到的重元素丰度。

“宇宙之初,中子星的合并并没有产生足够的重元素。此外,140亿年后,它们仍然不会,”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不够快,不足以解释古代恒星中存在重元素。总的来说,碰撞的次数是不够的,所以不能解释今天宇宙中重元素的丰度。”

恒星是产生宇宙中大多数元素的熔炉。在早期的宇宙中,氢和氦——,仍然是宇宙中最丰富的元素,是在最初的夸克汤冷却到足以积累物质后形成的。

当这些物质块在重力的作用下聚集在一起时,第一批恒星就形成了。恒星的核心是聚变熔炉。它们将氢聚合成氦;并将氦聚合成碳;以此类推,当较轻的元素耗尽时,它们会继续用较重的元素聚集较重的元素,直到聚集成铁元素。铁本身也可以聚合,但是这个过程消耗的能量太多,超过了聚合本身产生的能量。所以,铁芯是终点。

卡拉卡斯说:“我们可以把一颗恒星想象成一个创造新元素的巨大高压锅。制造这些元素的反应也为恒星提供能量,使它们能够发光数十亿年。随着恒星慢慢老化,它们内部的温度会逐渐升高,产生越来越重的元素。”

如果要生产比铁重的元素(如金、银、钍、铀),需要依靠快中子俘获过程,也叫R-过程。R-过程可能发生在真实的高能爆炸中,会产生一系列的核反应,其中原子核与中子碰撞合成比铁重的元素。

但问题是,这个过程必须如此之快,以至于在原子核捕获更多中子之前,放射性衰变不可能发生。

我们已经知道,中子星碰撞导致的成千上万颗新恒星的爆炸,是一个足以产生R过程的高能环境。这是没有争议的。但是,要产生这么多我们观测到的元素,需要找到中子星碰撞的最小频率。

为了找出这些元素的来源,研究人员利用最新的天体物理观测和银河系中的化学丰度,建立了从碳到铀的所有稳定元素的星系化学演化模型,包括理论核合成产率和事件率。

显示建模元素来源的周期表

显示建模元素来源的周期表他们用周期表列出了他们的工作,周期表显示了所有建模元素的来源。而且他们在研究结果中发现,从宇宙开始到现在,中子星吞并的频率是不够的。相反,他们认为可能的解释可能是另一颗超新星。

这些超新星被称为磁旋转超新星,是在强磁场下快速旋转的大恒星核心坍缩时产生的。这些超新星爆炸也被认为有足够的能量产生R过程。如果质量在25到50个太阳之间的恒星中只有少量的超新星爆发是磁旋转超新星爆发,那么结果可以弥补这个差异。

卡拉卡斯说:“即使是对中子星吞并频率最乐观的估计也不能解释宇宙中这些元素的丰度。”。“这真让人吃惊。因为看起来,具有强磁场的快速旋转超新星似乎是这些元素的真正来源。”

此前的研究还发现,一颗被称为“坍缩恒星超新星”的超新星也能产生重元素,即质量超过30个太阳的快速旋转恒星在坍缩成黑洞之前成为超新星。一般认为这种超新星爆发比中子星碰撞更罕见,但也可能是产生重元素的一个因素,与研究小组的其他发现吻合较好。

研究小组发现,质量小于8个太阳的恒星会产生碳、氮、氟和几乎一半比铁重的元素。质量超过八个太阳的恒星产生生命所需的大部分氧和碳,以及碳和铁之间的大部分剩余元素。

英国赫特福德郡大学的天体物理学家小林解释说:“除了氢,没有任何元素只能由一颗恒星产生。”。“一半的碳来自垂死的低质量恒星,另一半来自超新星。一半的铁来自大质量恒星的正常超新星爆发,另一半来自Ia超新星。Ia超新星是在低质量恒星的联合恒星系统中产生的。”

地球上约0.3%的金和铂可以追溯到约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会被改写。

我们探测引力波才五年。随着我们设备和技术的提高,我们未来发现的中子星碰撞可能会比我们现在观察到的更加频繁。

另一个奇怪的结果是,研究人员的模型产生的银比实际观察到的多,但金比实际观察到的少。这说明模型需要调整和改进。可能是计算的问题,也可能是我们对恒星核合成的认识不够全面。(林云)