今年是门捷列夫提出元素周期表的150周年,尽管科学家一直致力于研究这些元素,但关于宇宙中的重元素是如何形成的,依然有一些问题没有被完全解开。

许多元素周期表中的重元素(如黄金、铂金以及铀)的起源,始终困扰着科学家。通过对遥远恒星的观测,科学家们终于发现了它们诞生的过程,原来它们是垂死恒星坍缩成黑洞过程的产物。

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科学家相信,宇宙中最轻的三种元素——氢、氦、锂——诞生于宇宙大爆炸后的不久,而一些更重的元素则是在恒星的中心创造出来的。但是,像铀和金这样的重元素的起源之谜,却仍然困扰着天文学家。

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一项新的研究发现,宇宙中大部分的金、铀和其它重元素都是由快速旋转的坍缩恒星产生的。

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UEDBET西甲赫塔菲 ,▲垂死的恒星会逐渐坍缩成黑洞,这个过程会促使恒星两极产生伽马射线暴,并引发恒星外层气体爆炸,而黄金可能是新生黑洞首次“进食”时留下的残渣

宇宙中最轻的三种元素——氢、氦和锂——诞生于宇宙最早期的时刻,即大约在大爆炸后一分钟左右。而元素周期表上一直排到铁的元素大多都是后来在恒星核心中锻造出来的。

太阳系中元素的起源。| 图片来源:1]

这类恒星又被称为坍缩星(collapsars),当恒星的生命走向终结时,它们周围的气体层会发生爆炸。这种坍缩和爆炸会在每个新生黑洞周围留下庞大的物质盘。当黑洞开始吞噬周围的物质时,就会为黄金、铂金以及其他重元素的形成创造合适条件。

然而,元素周期表上那些比铁重的元素,如金和铀,是如何产生的呢 ? 这一直是个谜。此前的研究提出了一个关键线索:原子核通常需要快速吸收中子,这种现象被称为 "r 过程 "。

在一篇刚发表于《自然》期刊的论文中,三名研究人员指出这些元素或许形成于坍缩星(快速旋转的大质量恒星在超新星的引发下坍缩)。研究人员预期,在坍缩星的周围会形成吸积盘,这个物质盘创造了产生新元素的必要条件。

美国哥伦比亚大学天体物理学家布赖恩·梅泽尔(Brian Metzger)说:“在这些极端环境下形成的黑洞都是挑剔的食客。它们每次能吞噬物质数量有限,无法吞噬的东西会被风吹走。这种风中含有很多中子,即没有电荷的亚原子粒子,这为重元素的形成创造了合适的条件。”

" 这对于我来说很奇妙,即使在我们庆祝元素周期表诞生 150 周年的今年,我们仍然不太明白宇宙中的重元素是怎样创造出来的," 研究报告的主要作者丹尼尔 • 西格尔说,他还是滑铁卢圆周理论物理研究所的理论物理学家,他说,这些元素包括 " 金、铂和我们的便携式电子产品中的稀土元素 "。

之前的研究表明,要创造出元素周期表中的重元素,就需要一个富含中子的极端环境。这样就会出现所谓的“R-过程”,在这个过程中,原子核会迅速地吸收中子,然后经历放射性衰变,从而产生新的元素。

烹饪元素

2017 年,借助 LIGO 和室女座引力波天文台探测到的时空结构波纹,天文学家探测到了中子星之间的碰撞。中子星是高密度富含中子的大型恒星尸体,是大型恒星在超新星的灾难性爆炸中死亡后形成的。引力波的发现使研究人员认为,大多数 r 过程的元素都是在合并中子星爆炸产生的物质茧中形成的。

天体物理学家从理论上推断,两颗中子星的合并或许能产生让R-过程发生所需的条件,从而产生一些最重的元素。2017年,当天文学家探测到两颗碰撞的中子星产生了引力波和光时,这一理论得到了强有力的支持。在这场合并事件中,出现了包括金、银、铂等重金属元素形成的迹象。

梅泽尔的团队始终在试图寻找一个古老问题的答案,即像黄金这样的宇宙中最重元素到底来自哪里?

研究人员在 2017 年发现的中微子与恒星的碰撞最后产生了一个黑洞。先前的研究表明,那次合并产生的 r 过程元素的主要来源是在黑洞周围形成的碎片吸积盘。

不过,用中子星来解释重元素的起源也有不足之处。这些已死亡的致密恒星需要很长时间才能合并。但是我们在一些形成于宇宙早期的古老恒星中已经发现过重元素的踪迹。目前我们还无法确定中子星合并的速度是否快到足以解释存在于早期恒星中的那些重元素。

天文学家知道,某些元素是在恒星内部形成的,当濒死的恒星发生爆炸时,这些元素就会被喷向太空。这些元素包括碳、氧和铁,科学家称它们为轻元素,因为它们的质量比黄金和铂金等轻要轻得多。

西格尔说:" 我们立即意识到,在完全不同的天体物理系统中也可以会发现同样的物理现象。"

然而,坍缩星却可以在恒星开始形成后不久就发生,这种现象可能是导致重元素大量产生的原因。与中子星合并相比,一个坍缩星或许可以产生30倍的R-过程物质,并且可以产生质量是地球质量的数百倍的黄金物质。研究人员发现,在宇宙中,80%的R-过程元素可能都是由坍缩星造成的,剩下的则是由中子星合并造成的。

由于恒星不能制造比铁更重的元素,因此要得到这些重元素,必须有很多中子。它们必须紧紧地挤在一起,并创造出一种极端环境。在它里面,原子的中心大量吸收中子,并因此变得极不稳定。

研究人员开发了模拟坍缩星吸积盘的计算机模型,这些坍缩星在坍缩的同时也会快速旋转,最后走向灭亡,变成一场超新星爆炸或者一个黑洞。

新的研究为2016年的一项发现提供了新的线索。当时,天文学家Alexander Ji发表论文发现,在宇宙早期,一个名为网罟座II的矮星系经历了一场浩劫,在其恒星中留下了R-过程元素。科学家曾怀疑,网罟座II中的这些重元素,是否来自于一颗古老的因中子星合并而产生的天体?现在,我们又多了坍缩星这个选项。

为了保持稳定,原子核会经历放射性衰变。而在衰变过程中,中子会变成质子,这就会形成新的元素。天体物理学家把这个反应链称为“r反应”。科学家们曾怀疑,当两颗恒星相撞时,就会出现这样的元素。具体来说,当撞击涉及到两颗死亡的中子星时,就能产生重元素。

西格尔说:" 我们发现,在这些吸积盘中,有很多物质围绕着新诞生的黑洞。他说,在这些吸积盘高温度、大密度的最深处,电子、正电子和中微子之类的粒子会相互作用,使质子转化为中子,从而产生 " 形成金和铂等重元素所需的初始条件 "。

目前,天文学家尚不清楚坍缩星出现得是否足够频繁,也不清楚它们所产生的物质量是否能恰好解释宇宙中的重元素丰度。这些问题都有待进一步地被检验。

两年前就有确凿证据证明显示,两颗中子星碰撞所产生的波可以拉伸和挤压时空,导致空间结构发生变化。天文学家称这种波为引力波。对那次撞击的研究表明,中子星确实喷发出了包括金、银和铂在内的重元素。

坍缩星比中子星合并更为罕见。然而,研究人员说,坍缩星喷射出的物质越多,意味着它们排出的 r 过程元素比中微子与恒星碰撞产生的 r 过程元素也就越多。

那么,能更好地解释像网罟座II这样的星系的,到底是坍缩星还是中子星?天文学家正迫切地找寻这个问题的答案。未来,对由坍缩星所发生的超新星爆发的观察,也将有助于确定坍缩星所起到的作用。

但是,对中子星理论的解释也有其不足之处,因为密度高的死亡恒星需要很长时间才能碰撞。然而,在形成于宇宙早期的古代恒星中也存在着重元素。目前,科学家们还不清楚在宇宙早期是否发生了中子星碰撞。

西格尔说:" 我们在研究中发现,坍缩星应该产生了银河系中至少 80% 的重元素,剩余的大概 20% 则来自于中子星合并。"

参考来源:

古老黑洞

西格尔说,在未来,研究人员希望研究元素如何在其他类型的吸积盘中产生,比如由强磁化恒星产生的超新星。他补充说:" 我们还想探索我们工作的宇宙学意义——即我们的研究结果对星系的化学进化和聚集有什么启示。"

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那么,如果当时没有发生中子星碰撞,重元素是如何产生的?科学家们认为,宇宙早期可能有旋转的恒星坍缩成黑洞,这一过程可能会大量制造重元素。

西格尔和他在纽约哥伦比亚大学的同事珍妮弗 · 巴恩斯和布莱恩 · 梅泽尔于 5 月 8 日在《自然》杂志网络版上详细介绍了他们的发现。

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单颗恒星坍缩可能产生相当于30倍中子星碰撞时的“r反应”物质,进而产生超过地球质量数百倍的黄金。因此,由r-反应产生的元素中,有80%可能是恒星坍缩带来的,而剩下的部分则是中子星碰撞产生的。

梅泽尔等人的研究为2016年矮星系Reticulum II的发现提供了新线索,这个星系的恒星富含重元素。这意味着,数十亿年前银河系发生了某种灾难,产生了所有这些重元素。科学家们曾认为,古老的中子星碰撞事件为这个星系播下了重元素的种子。但是现在,恒星坍缩显然提供了另一种可能。

麻省理工学院天体物理学家、2016年关于Reticulum II研究的合著者安娜·弗雷贝尔(Anna Frebel)说:“这非常令人兴奋,中子星碰撞很少见,所以这感觉有点儿像我们中了彩票。但坍缩星更为罕见,它只有中子星碰撞几率的1/10。因此,如果坍缩星是重元素产生的根源,那么感觉好像我们中了两次彩票。”

目前还不清楚恒星坍缩现象是否频繁发生,以及是否足以解释整个宇宙中所见重元素为何如此丰富的原因。未来对坍缩爆炸余波的观测可能会有所帮助,这可以帮助确定恒星坍缩在形成这样的星系时发挥的作用。观测结果还可能揭示,恒星坍缩是否真的给宇宙带来了大量的重元素。