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黃金從何而來?原來是恒星坍縮成黑洞的“進食殘渣”

2019年06月23日 09:41 次閱讀 稿源:網易科技《知否》 條評論

許多元素周期表中的重元素(如黃金、鉑金以及鈾)的起源,始終困擾著科學家。通過對遙遠恒星的觀測,科學家們終于發現了它們誕生的過程,原來它們是垂死恒星坍縮成黑洞過程的產物。

作者 | 小小

出品 | 網易科技《知否》欄目組

圖:垂死的恒星會逐漸坍縮成黑洞,這個過程會促使恒星兩極產生伽馬射線暴,并引發恒星外層氣體爆炸,而黃金可能是新生黑洞首次“進食”時留下的殘渣

這類恒星又被稱為坍縮星(collapsars),當恒星的生命走向終結時,它們周圍的氣體層會發生爆炸。這種坍縮和爆炸會在每個新生黑洞周圍留下龐大的物質盤。當黑洞開始吞噬周圍的物質時,就會為黃金、鉑金以及其他重元素的形成創造合適條件。

美國哥倫比亞大學天體物理學家布賴恩·梅澤爾(Brian Metzger)說:“在這些極端環境下形成的黑洞都是挑剔的食客。它們每次能吞噬物質數量有限,無法吞噬的東西會被風吹走。這種風中含有很多中子,即沒有電荷的亞原子粒子,這為重元素的形成創造了合適的條件。”

烹飪元素

梅澤爾的團隊始終在試圖尋找一個古老問題的答案,即像黃金這樣的宇宙中最重元素到底來自哪里?

天文學家知道,某些元素是在恒星內部形成的,當瀕死的恒星發生爆炸時,這些元素就會被噴向太空。這些元素包括碳、氧和鐵,科學家稱它們為輕元素,因為它們的質量比黃金和鉑金等輕要輕得多。

由于恒星不能制造比鐵更重的元素(如黃金和鉑金),因此要得到這些重元素,必須有很多中子。它們必須緊緊地擠在一起,并創造出一種極端環境。在它里面,原子的中心(原子核)大量吸收中子,并因此變得極不穩定。

為了保持穩定,原子核會經歷放射性衰變。而在衰變過程中,中子會變成質子,這就會形成新的元素。天體物理學家把這個反應鏈稱為“r反應”。科學家們曾懷疑,當兩顆恒星相撞時,就會出現這樣的元素。具體來說,當撞擊涉及到兩顆死亡的中子星時,就能產生重元素。

兩年前就有確鑿證據證明顯示,兩顆中子星碰撞所產生的波可以拉伸和擠壓時空,導致空間結構發生變化,天文學家稱這種波為引力波。研究表明,中子星確實噴發出了包括金、銀和鉑在內的重元素。

但是,對中子星理論的解釋也有其不足之處,因為密度高的死亡恒星需要很長時間才能碰撞。然而,在形成于宇宙早期的古代恒星中也存在著重元素。目前,科學家們還不清楚在宇宙早期是否發生了中子星碰撞。

古老黑洞

那么,如果當時沒有發生中子星碰撞,重元素是如何產生的?科學家們認為,宇宙早期可能有旋轉的恒星坍縮成黑洞,這一過程可能會大量制造重元素。

單顆恒星坍縮可能產生相當于30倍中子星碰撞時的“r反應”物質,進而產生超過地球質量數百倍的黃金。因此,由r-反應產生的元素中,有80%可能是恒星坍縮帶來的,而剩下的部分則是中子星碰撞產生的。

梅澤爾等人的研究為2016年矮星系Reticulum II的發現提供了新線索,這個星系的恒星富含重元素。這意味著,數十億年前銀河系發生了某種災難,產生了所有這些重元素。科學家們曾認為,古老的中子星碰撞事件為這個星系播下了重元素的種子。但是現在,恒星坍縮顯然提供了另一種可能。

麻省理工學院天體物理學家、2016年關于Reticulum II研究的合著者安娜·弗雷貝爾(Anna Frebel)說:“這非常令人興奮,中子星碰撞很少見,所以這感覺有點兒像我們中了彩票。但坍縮星更為罕見,它只有中子星碰撞幾率的1/10。因此,如果坍縮星是重元素產生的根源,那么感覺好像我們中了兩次彩票。”

目前還不清楚恒星坍縮現象是否頻繁發生,以及是否足以解釋整個宇宙中所見重元素為何如此豐富的原因。未來對坍縮爆炸余波的觀測可能會有所幫助,這可以幫助確定恒星坍縮在形成這樣的星系時發揮的作用。觀測結果還可能揭示,恒星坍縮是否真的給宇宙帶來了大量的重元素。

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