宇宙中的黄金从何而来?新研究找到线索

2021-11-24 10:09:02 来源:网络整理 作者:管理员

原标题:宇宙中的黄金从何而来?新研究找到线索

宇宙中的黄金从何而来?新研究找到线索

一份新研究发现,由两颗中子星对撞产生的、带有特定质量吸积盘的黑洞,产生了宇宙内大量的重元素,包括黄金。

宇宙中像黄金、铀这一类的重元素是怎样产生的?科学家知道所有的重元素都不是地球上自有的,是宇宙空间内各种剧烈事件产生的,比如恒星的爆炸、中子星的合并等,但是对于具体的生成过程并不明确。

新的研究从理论上探明了这一过程的部分情况:由两颗中子星对撞产生的黑洞,如果其周围的吸积盘质量不大也不小,正好介于太阳的0.01倍~0.1倍之间,这样的吸积盘就是产生重元素的理想环境。研究者认为,宇宙中很大一部分重元素应该就在这类吸积盘内产生。

多种剧烈的天文事件都会生成黑洞,人们比较熟悉的是恒星死亡之后坍塌成黑洞。2017年科学家从探测到的引力波信号,第一次发现两颗中子星对撞也会变成黑洞。中子星是某些恒星爆炸后剩下的残骸。

研究人员猜测黑洞周围的吸积盘,是产生重元素的关键所在。吸积盘是环绕在黑洞周围的一圈高温、高密度物质。

科学家对吸积盘内的物质构成还不是很了解,特别是里面大量中子的来源,而大量的中子是合成重元素的一项基本条件。于是他们使用最先进的黑洞模型模拟这些天体的情况,发现原来黑洞周围吸积盘的质量与产生重元素存在密切关系。

理论上说,质子捕获电子后放射中微子,变成中子。这些中子再触发中子捕获过程(r-process,也称R-过程)合成重元素。但是,质量接近零的中微子在这个过程中起到重要的作用,它既可以促进质子变成中子,也可以使得中子变回质子。研究人员发现,吸积盘的质量对哪个过程占主要地位起到关键作用。

主要研究者之一德国亥姆霍兹重离子研究中心(GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH)的贾斯特(Oliver Just)说:“我们的研究第一次考查了多个黑洞周围吸积盘质量不一样的情况,研究了里面中子和质子的转换率。我们发现,吸积盘的质量在一定范围内,才会出现大量中子。”

“吸积盘的质量是决定因素。吸积盘质量越大,质子变成中子的比例越高,质子捕获电子后释放中微子,变成中子。这些中子通过R-过程合成重元素。然而,如果吸积盘质量太高,反向过程发生的比例增加,即中微子还没来得及离开吸积盘又被中子捕获变回质子,从而阻碍R-过程。”

最后,研究人员发现质量介于太阳的0.01倍~0.1倍的吸积盘,才是合成重元素最理想的条件。而具有如此质量的吸积盘,一般出现在中子星合并的黑洞周围。

研究人员目前尚不明确,由恒星坍塌产生的黑洞,是否能产生质量在这个范围内的吸积盘,或者产生的比例有多少。

研究负责人鲍斯温(Andreas Bauswein)说:“现有的数据还不充分。等新一代设备——反质子与离子研究装置(Facility for Antiproton and Ion Research,简称FAIR)建成后,将能够进行精确的测量。到时候把理论模型、实验和天文观测数据全部结合起来,相信未来几年我们就能验证中子星对撞事件怎样触发R-过程(产生重元素)的理论。”

这份研究10月8日发表于《王家天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)。