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黄金到底从何而来?原来是恒星坍缩成黑洞时的"进食残渣"

2019/6/23 8:37:05来源:网易科技作者:小小责编:沧海评论:

许多元素周期表中的重元素(如黄金、铂金以及铀)的起源,始终困扰着科学家。通过对遥远恒星的观测,科学家们终于发现了它们诞生的过程,原来它们是垂死恒星坍缩成黑洞过程的产物。

▲垂死的恒星会逐渐坍缩成黑洞,这个过程会促使恒星两极产生伽马射线暴,并引发恒星外层气体爆炸,而黄金可能是新生黑洞首次“进食”时留下的残渣

这类恒星又被称为坍缩星(collapsars),当恒星的生命走向终结时,它们周围的气体层会发生爆炸。这种坍缩和爆炸会在每个新生黑洞周围留下庞大的物质盘。当黑洞开始吞噬周围的物质时,就会为黄金、铂金以及其他重元素的形成创造合适条件。

美国哥伦比亚大学天体物理学家布赖恩·梅泽尔(Brian Metzger)说:“在这些极端环境下形成的黑洞都是挑剔的食客。它们每次能吞噬物质数量有限,无法吞噬的东西会被风吹走。这种风中含有很多中子,即没有电荷的亚原子粒子,这为重元素的形成创造了合适的条件。

烹饪元素

梅泽尔的团队始终在试图寻找一个古老问题的答案,即像黄金这样的宇宙中最重元素到底来自哪里?

天文学家知道,某些元素是在恒星内部形成的,当濒死的恒星发生爆炸时,这些元素就会被喷向太空。这些元素包括碳、氧和铁,科学家称它们为轻元素,因为它们的质量比黄金和铂金等轻要轻得多。

由于恒星不能制造比铁更重的元素(如黄金和铂金),因此要得到这些重元素,必须有很多中子。它们必须紧紧地挤在一起,并创造出一种极端环境。在它里面,原子的中心(原子核)大量吸收中子,并因此变得极不稳定。

为了保持稳定,原子核会经历放射性衰变。而在衰变过程中,中子会变成质子,这就会形成新的元素。天体物理学家把这个反应链称为“r反应”。科学家们曾怀疑,当两颗恒星相撞时,就会出现这样的元素。具体来说,当撞击涉及到两颗死亡的中子星时,就能产生重元素。

两年前就有确凿证据证明显示,两颗中子星碰撞所产生的波可以拉伸和挤压时空,导致空间结构发生变化。天文学家称这种波为引力波。对那次撞击的研究表明,中子星确实喷发出了包括金、银和铂在内的重元素。

但是,对中子星理论的解释也有其不足之处,因为密度高的死亡恒星需要很长时间才能碰撞。然而,在形成于宇宙早期的古代恒星中也存在着重元素。目前,科学家们还不清楚在宇宙早期是否发生了中子星碰撞。

古老黑洞

那么,如果当时没有发生中子星碰撞,重元素是如何产生的?科学家们认为,宇宙早期可能有旋转的恒星坍缩成黑洞,这一过程可能会大量制造重元素。

单颗恒星坍缩可能产生相当于30倍中子星碰撞时的“r反应”物质,进而产生超过地球质量数百倍的黄金。因此,由r-反应产生的元素中,有80%可能是恒星坍缩带来的,而剩下的部分则是中子星碰撞产生的。

梅泽尔等人的研究为2016年矮星系Reticulum II的发现提供了新线索,这个星系的恒星富含重元素。这意味着,数十亿年前银河系发生了某种灾难,产生了所有这些重元素。科学家们曾认为,古老的中子星碰撞事件为这个星系播下了重元素的种子。但是现在,恒星坍缩显然提供了另一种可能。

麻省理工学院天体物理学家、2016年关于Reticulum II研究的合著者安娜·弗雷贝尔(Anna Frebel)说:“这非常令人兴奋,中子星碰撞很少见,所以这感觉有点儿像我们中了彩票。但坍缩星更为罕见,它只有中子星碰撞几率的1/10。因此,如果坍缩星是重元素产生的根源,那么感觉好像我们中了两次彩票。”

目前还不清楚恒星坍缩现象是否频繁发生,以及是否足以解释整个宇宙中所见重元素为何如此丰富的原因。未来对坍缩爆炸余波的观测可能会有所帮助,这可以帮助确定恒星坍缩在形成这样的星系时发挥的作用。观测结果还可能揭示,恒星坍缩是否真的给宇宙带来了大量的重元素。

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关键词:黄金恒星黑洞

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