研究发现，中子星碰撞是重元素的”金矿”

大多数比铁轻的元素都是在恒星核心中锻造的，恒星的白热化中心为质子的融合提供燃料，将质子挤压在一起，以制造越来越重的元素。但是除了铁之外，科学家们还对什么能产生黄金、铂金和宇宙其他重元素感到困惑，这些元素的形成需要的能量比恒星所能聚集的还要多。

麻省理工学院和新罕布什尔大学的研究人员进行的一项新研究发现，在两个长期被怀疑的重金属来源中，一个比另一个更像金矿。

今天发表在《天体物理学杂志快报》上的这项研究报告说，在过去25亿年中，二元中子星合并或两颗中子星碰撞产生的重金属比中子星和黑洞之间的合并产生的重金属多。

这项研究首次比较了两种合并类型的重金属产量，并表明二元中子星可能是我们今天看到的黄金、铂金和其他重金属的宇宙来源，这些发现还有助于科学家确定宇宙中重金属的产生速度。

麻省理工学院卡夫利天体物理学和空间研究所的博士后陈新宇（Hsin-Yu Chen）表示：”我们发现从某种程度上讲，我们可以确定地说，二元中子星可能更像是金矿，而不是中子星黑洞合并。

陈的合著者是麻省理工学院物理学助理教授萨尔瓦托雷·维塔莱和联合国大学弗朗索瓦·福卡特。

高效熔炉

当恒星进行核聚变时，它们需要能量来熔断质子以形成更重的元素，恒星在生产从氢到铁等较轻元素方面效率很高，然而，在铁中熔合超过26个质子会变得非常低效。

Vitale 说：”如果你想越过铁，制造出更重的元素，比如黄金和铂金，你需要一些其他方法来将质子压在一起。

科学家怀疑超新星可能是一个答案，当一颗巨大的恒星在超新星中坍塌时，其中心的铁可以与极端沉降物中的较轻元素结合产生更重的元素。

然而，2017年，美国和意大利的引力波观测站LIGO和处女座首次确认了一个有希望的候选者，即二元中子星合并。探测器从两颗中子星之间的碰撞中发现了来自地球1.3亿光年的引力波，即在时空中产生波纹的引力波——巨大的恒星核心坍塌，这些恒星中含有中子，是宇宙中最密集的天体之一。

宇宙的合并发出一闪一闪的光，其中包含重金属的特征。

“合并产生的黄金量相当于地球质量的几倍，”陈说。”这完全改变了情况。数学表明，与超新星相比，二元中子星是产生重元素的更有效方法。

二元金矿

陈和她的同事想知道：中子星的合并与中子星和黑洞之间的碰撞相比，如何？这是LIGO和处女座发现的另一种合并类型，可能就是一家重金属工厂。科学家怀疑，在某些情况下，黑洞会破坏中子星，在黑洞完全吞没恒星之前，它会引发并喷出重金属。

该小组着手确定每种类型的合并通常可以产生的黄金和其他重金属的数量。在分析中，他们重点研究了LIGO和处女座迄今对两颗二元中子星合并和两颗中子星——黑洞合并的探测。

研究人员首先估计了每个合并中每个物体的质量，以及每个黑洞的旋转速度，推理说如果黑洞太大或太慢，它会吞下一颗中子星，然后才有机会产生重元素。他们还确定了每颗中子星对被破坏的抵抗力。恒星的抵抗力越强，产生重元素的可能性就越小。他们还根据LIGO、处女座和其他观测站的观测结果，估计了一次合并发生的频率。

最后，该团队使用 Foucart 开发的数字模拟来计算每次合并产生的黄金和其他重金属的平均数量，因为物体的质量、旋转、破坏程度和发生速率组合各不相同。

研究人员发现，平均而言，二元中子星合并产生的重金属比中子星和黑洞之间的合并多出2到100倍。据估计，他们分析的四起合并发生在过去25亿年。他们的结论是，至少在这一时期，二元中子星合并产生的重元素比中子星和黑洞之间的碰撞产生的元素要多。

如果黑洞的自旋率高，质量低，这些天平可能有利于中子星黑洞的合并。然而，科学家迄今尚未在检测到的两次合并中观测到这类黑洞。

陈和她的同事希望，随着LIGO和处女座明年恢复观测，更多的检测将提高团队对每次合并产生重元素的速度的估计。反过来，这些速率可以帮助科学家根据它们各种元素的丰富程度确定遥远星系的年龄。

维塔莱说：”你可以像我们迄今为止使用碳一样使用重金属。”因为所有这些现象都有不同的内在速率和重元素的产量，这将影响你如何附加一个时间戳的星系。因此，这种研究可以改进这些分析。

这项研究部分由美国宇航局、国家科学基金会和LIGO实验室资助。

故事来源：

材料由麻省理工学院提供。原稿由朱珍妮弗撰写。

期刊参考：

陈新宇，萨尔瓦托雷·维塔莱，弗朗索瓦·福卡特。二元中子星合并和中子星-黑洞合并对重金属生产的相对贡献。《天体物理学杂志快报》，2021年：920 （1）： L3 DOI： 10.3847/2041-8213/ac26c6

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