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首次证实双中子星并合产生重元素

2017年10月16日晚全球约70家天文研究机构联合发布了第五次引力波事件GW170817,这是第一次观测到双中子星并合。此前有理论认为,我们地球上所看到的稀有的重金属极有可能来自双中子星并合。日前,天文学家在《自然》杂志上发表研究成果,宣称首次发现了重元素锶的踪迹,从而证实了这一理论,为解答化学元素形成之谜提供了重要的线索。

双中子星并合产生重金属元素的科学想象画(版权:ESO/L. Calçada/M. Kornmesser)

GW170817事件发生后,地面及空间多个探测器做出了积极的、及时的响应,人们很快便锁定了一个位于NGC 4993星系内的光学目标AT2017gfo。在此后的一个多月里,各个波段上都得到了它的观测数据,它也成为迄今为止唯一一个被望远镜观测到的引力波源。引起GW170817引力波事件的是两个中子星,它们的并合发生了巨大的爆炸,亮度陡增,成为一颗“千新星”(kilonova),这也是人类第一次证实千新星的存在。

对GW170817事件的解析(来源:网络)

自20世纪50年代以来,天文学家们就已经掌握了元素形成的物理机制。恒星就像是个“炼丹炉”,在千万度的高温中,氢原子核聚合反应生成氦,氦原子核聚变生成碳和氧……然而,像太阳这样的恒星,在其稳定燃烧的时期只能产生碳、氮、氧等元素,质量更大的恒星才有能力形成更重的元素。但是稳定核聚变的终极产物也只能到铁元素。那么我们在自然界中还发现了许多重金属元素,它们从何而来呢?这项研究的第一作者、丹麦哥本哈根大学的达拉赫·沃森(Darach Watson)说:“我们现在知道,创造元素的过程主要发生在普通恒星、超新星爆炸或古老恒星的外层。但是直到现在,我们仍不知道最后一个神秘的过程,也就是所谓的快中子俘获(rapid neutron capture,r-process)发生在哪里,化学元素周期表中更重的元素必须在这个过程中产生。”

化学元素的来源,紫色部分被认为主要产生自双中子星的并合。(来源:Wikipedia)

快中子俘获是指原子核以足够快的速度捕获中子,从而产生非常重的元素的过程。尽管许多元素是在恒星的核心产生的,然而比铁重的元素比结合能较低(比结合能是要分开这个原子核所需要的能量除以该原子核的核子数,可以理解为平均分开一个核子所需的能量 ,因此比结合能又叫“平均结合能”),无法通过核合成过程生成,而是要求大量自由中子直接轰击原子核才能实现元素的“升级”。这种过程被称为“俘获”,根据所需能量以及结合方式的不同可以分为快中子俘获过程(r过程)、慢中子俘获过程(s过程)和快质子俘获过程(rp过程)。只有比普通恒星核区热得多的极端环境才能有足够多的自由中子,从而激发上述过程。通常认为当恒星进行氦燃烧的时候,其核心会富集高能中子,于是有机会通过慢中子俘获过程产生新的核素。而更重的核素则需要更为“暴力”的环境——恒星内核的爆炸——包括中子星的并合、大质量超新星爆炸前极短的瞬间就会产生大量的自由中子,它们轰击原子核,生成比铁更重的核素,即实现快中子俘获过程。

千新星AT2017gfo的光谱,摄于爆发后1.5天。(来源:Darach Watson et al./arXiv:1910.10510v1

听起来好像很复杂,简单地说就是你见到化学元素周期表26号之后的自然界存在的元素几乎都要依靠超新星爆炸、千新星(双中子星并合)这种大事件才能产生。GW170817引力波的光学对应体恰巧是个千新星,这种千载难逢的机会怎能放过!位于智利的欧洲南方天文台甚大望远镜(VLT)对准了目标进行观测。第二架绰号为“月亮”(UT2,Kueyen)的望远镜上安装着一台秘密武器——中分辨率光谱仪X-shooter。它是由丹麦、法国、意大利、荷兰等国的研究机构合作开发的,可覆盖从紫外(300nm)到近红外(2500nm)波段。覆盖范围大当然有助于看到更多元素的谱线,但也带来一个问题,太多太难分辨了。研究人员获取了GW170817事件千新星1.5天至10天的光谱,对这些光谱的初步分析表明在千新星中的确存在重元素,但是直到现在才确定具体是哪个——他们从光谱中识别出重元素锶(strontium)的特征,从而首次证明在双中子星火爆的并合过程中能创造出这种元素

安装在VLT UT2上的X-shooter光谱仪(来源:ESO)

锶(拼音sī)发现于18世纪末19世纪初,名字来源于产地苏格兰斯特朗申镇(Strontian)。1790年,医生阿代尔·克劳福德(Adair Crawford)从苏格兰阿盖尔郡的一个铅矿中发现一种新的矿物(菱锶矿SrCO3),不久便发现这个新的矿物中包含着一种新的元素。1793年11月,爱丁堡大学化学教授托马斯·查尔斯·霍普(Thomas Charles Hope)证明了新元素的存在。1793年9月,马丁·海因里希·克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)成功制取出氧化锶和氢氧化锶。1808年,锶金属才被英国皇家学院的汉弗莱·戴维(Humphry Davy)从氯化锶和氧化汞的混合物中电解提炼出来。锶是元素周期表上2A族中的一种金属元素,元素符号为Sr,原子数为38,是一种有银白色光泽的碱土金属,在地壳中的含量约0.04%,丰度居第15位。它的化学性质较为活泼,极易与空气和水发生化学反应,所以不存在自然态的锶。我们喝的所谓矿泉水中就有锶元素,它是一种人体必需的微量元素。如果把锶元素加热到熔点(769℃)会燃烧出红色火焰,生成氧化锶(SrO),因而常被用于制作红色烟花。自然界存在锶-84、锶-86、锶-87、锶-88四种稳定同位素。锶-87具有放射性,半衰期只有2.8小时,在医疗中可用于骨骼点位。锶90则是由铀235裂变产生的一种极为危险的放射性同位素,半衰期为28.8年,可作β射线放射源。中国计量科学研究院研制出的锶87原子光晶格钟精度相当于1.38亿年不差1秒。

为什么时隔2年才确认了锶元素的存在?论文的主要作者之一、哥本哈根大学的研究人员乔纳坦·塞尔辛(Jonatan Selsing)解释说:“事实上,我们在事件发生后很快就想到,有机会找到锶。然而,要证明这一点显然是非常困难的,因为我们对元素周期表中重元素的光谱特征知之甚少。”在排除了各种元素吸收线的干扰后,才最终确定了在波长800nm位置上的强吸收线就是锶

天文学家在千新星光谱中(确认或疑似)发现的重元素(来源:ESO)

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