宇宙中的黃金從何而來?新研究找到線索

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【新唐人北京時間2021年11月17日訊】一份新研究發現,由兩顆中子星對撞產生的、帶有特定質量吸積盤的黑洞,產生了宇宙內大量的重元素,包括黃金。

宇宙中像黃金、鈾這一類的重元素是怎樣產生的?科學家知道所有的重元素都不是地球上自有的,是宇宙空間內各種劇烈事件產生的,比如恆星的爆炸、中子星的合併等,但是對於具體的生成過程並不明確。

新的研究從理論上探明了這一過程的部分情況:由兩顆中子星對撞產生的黑洞,如果其周圍的吸積盤質量不大也不小,正好介於太陽的0.01倍~0.1倍之間,這樣的吸積盤就是產生重元素的理想環境。研究者認為,宇宙中很大一部分重元素應該就在這類吸積盤內產生。

多種劇烈的天文事件都會生成黑洞,人們比較熟悉的是恆星死亡之後坍塌成黑洞。2017年科學家從探測到的引力波信號,第一次發現兩顆中子星對撞也會變成黑洞。中子星是某些恆星爆炸後剩下的殘骸。

研究人員猜測黑洞周圍的吸積盤,是產生重元素的關鍵所在。吸積盤是環繞在黑洞周圍的一圈高溫、高密度物質。

科學家對吸積盤內的物質構成還不是很了解,特別是裡面大量中子的來源,而大量的中子是合成重元素的一項基本條件。於是他們使用最先進的黑洞模型模擬這些天體的情況,發現原來黑洞周圍吸積盤的質量與產生重元素存在密切關係。

理論上說,質子捕獲電子後放射中微子,變成中子。這些中子再觸發中子捕獲過程(r-process,也稱R-過程)合成重元素。但是,質量接近零的中微子在這個過程中起到重要的作用,它既可以促進質子變成中子,也可以使得中子變回質子。研究人員發現,吸積盤的質量對哪個過程佔主要地位起到關鍵作用。

主要研究者之一德國亥姆霍茲重離子研究中心(GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH)的賈斯特(Oliver Just)說:「我們的研究第一次考查了多個黑洞周圍吸積盤質量不一樣的情況,研究了裡面中子和質子的轉換率。我們發現,吸積盤的質量在一定範圍內,才會出現大量中子。」

「吸積盤的質量是決定因素。吸積盤質量越大,質子變成中子的比例越高,質子捕獲電子後釋放中微子,變成中子。這些中子通過R-過程合成重元素。然而,如果吸積盤質量太高,反向過程發生的比例增加,即中微子還沒來得及離開吸積盤又被中子捕獲變回質子,從而阻礙R-過程。」

最後,研究人員發現質量介於太陽的0.01倍~0.1倍的吸積盤,才是合成重元素最理想的條件。而具有如此質量的吸積盤,一般出現在中子星合併的黑洞周圍。

研究人員目前尚不明確,由恆星坍塌產生的黑洞,是否能產生質量在這個範圍內的吸積盤,或者產生的比例有多少。

研究負責人鮑斯溫(Andreas Bauswein)說:「現有的數據還不充分。等新一代設備——反質子與離子研究裝置(Facility for Antiproton and Ion Research,簡稱FAIR)建成後,將能夠進行精確的測量。到時候把理論模型、實驗和天文觀測數據全部結合起來,相信未來幾年我們就能驗證中子星對撞事件怎樣觸發R-過程(產生重元素)的理論。」

這份研究10月8日發表於《王家天文學會月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)。◇

(轉自大紀元/責任編輯:葉萍)

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