黄金从何而来? 对宇宙元素合成的新见解

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宇宙中化学元素是如何产生的? 像金和铀这样的重元素从何而来? 来自德国达姆斯塔特GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung的研究团队,使用电脑模拟,对于重元素的合成就某些具有轨道物质累积的黑洞(所谓的吸积盘)来说是常见的。 其所形成的元素的预测丰度可了解哪些重元素需要在未来的实验室中进行研究,例如目前正在建设的反质子和离子研究设施(FAIR),以解开重元素的起源。 这些结果发表在《the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上。

地球上所有的重元素都是在天体物理环境的极端条件,包括:在恒星内部、在恒星爆炸中,以及在中子星的碰撞下所形成的。 2017年,对中子星合并产生的引力波和电磁辐射的首次观测表明,许多重元素可以在这些碰撞中产生和释放。 然而,关于物质何时以及为什么会被抛射,是否有其他可能产生重元素的情况,仍然是一个悬而未决的问题。

图说 吸积盘模拟的剖面图。

很有可能产生重元素的是黑洞,其轨道是由稠密的热物质组成的吸积盘。 这样的系统是在两颗大质量中子星合并和所谓的坍缩星(一颗旋转恒星的坍缩和随后的爆炸)期间形成的。 到目前为止,这种吸积盘的内部组成还没有得到很好的理解,特别是在形成过量中子的条件方面。 大量的中子是合成重元素的基本要求,因为它能实现快速的中子捕获过程或r过程。 几乎无质量的微中子在这一过程中起着关键作用,因为它们能够在质子和中子之间进行转换。

来自GSI相对论天体物理学小组的Oliver Just博士说,我们发现只要满足某些条件,圆盘结构内的中子可以非常丰富。 决定因素是圆盘的总质量,质量越大,中子就越容易在微中子放射(emission of neutrinos)下由质子俘获电子而形成,并且可以通过r过程来合成重元素。 然而,若圆盘的质量太高,反作用就会增加,更多的微中子会在离开圆盘之前被中子捕获,然后这些中子被转换回质子,这就阻碍了r过程。 研究表明,产生大量重元素的最佳圆盘质量大约是0.01到0.1个太阳质量。 这一结果提供了强有力的证据,即产生具有这些确切质量的吸积盘的中子星合并可能是大部分重元素的起源。 然而,目前尚不清楚这种吸积盘在坍缩星系统中是否出现以及出现的频率。

期待下一代的加速器(例如FAIR)加入研究,以测试中子星合并作为r过程元素的起源。 (编译/吴典谚)

数据来源:phys.org

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