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重元素如何产生?坍陷吸积盘或是最重元素的主要来源!

2019-07-09

哥伦比亚大学三位研究人员提出,坍陷吸积盘可能是最重元素的主要来源。Daniel Siegel, Jennifer Barnes和Brian Metzger于2019年5月8日他们发表在《自然》上的论文中描述了他们对中子星坍缩成黑洞时形成的吸积盘研究,以及他们的发现。太空科学家认为最轻的元素氦、氢和锂是在宇宙大爆炸之后产生的,还认为铁等较重的元素是在恒星的中心形成。但是像铀和金这样的重元素仍然是个谜——直到现在,还没有一个合理解释来解释它们的起源。

在这项新研究中,研究人员提出,这些元素是在中子星坍缩成黑洞时形成的吸积盘中产生。先前的研究表明,最重的元素是由所谓的“r过程”产生,在这个过程中,链式反应导致原子核吸收中子。天体物理学家从理论上推断,两颗中子星相撞可能会让位于发生r过程所需的条件,从而产生一些最重的元素。两年前,观测到第一波引力波的团队报告了两颗中子星相撞的影响。随后对该事件的研究表明,很可能发生了r过程,这一理论得到了强有力的支持。

但还有一个问题。中子星的碰撞是一个罕见的事件——太罕见了,以至于无法解释现今存在最重元素的数量。这使得研究人员开始考虑其他中子星的活动,比如它们的引力坍缩。先前的研究表明,中子星死亡时,会坍缩成黑洞。但并不是所有的物质都落入黑洞;有些被留下,形成吸积盘。研究人员创建的计算机模拟显示,吸积盘的条件已经成熟,可以进行r-反应,从而产生最重的元素。研究小组认为,这些元素中大约80%来自吸积盘,其余元素是中子星碰撞时产生的。

中子快速俘获法(r-process)在中子星合并过程中产生元素在理论上是可以预期的,并且得到了引力波事件GW170817多体观测的支持:这种产生路线理论上足以解释宇宙中大部分重元素。对伴随GW170817而来的kilonova分析表明,在新诞生黑洞周围形成的残余吸积盘中,有延迟的物质流出,这是那次事件所产生重元素主要来源。类似的吸积盘预计将在坍缩(由快速旋转的大质量恒星引发的超新星引发的坍缩)中形成,此前曾有人推测,这种坍缩会产生重元素。

在矮星系网II14中观察到富含这类元素的恒星,以及在较长时间跨度内铕相对于铁的星系化学富集,与发生在恒星金属度较低的稀有超新星现象相比,与发生在中子星合并上的现象更为一致。研究模拟表明,坍陷性吸积盘产生足够的r过程元素,以解释观测到的宇宙丰度。虽然这些超新星比中子星合并更罕见,但每次事件所喷射出的物质越多,其发生率就越低。新研究计算出,坍缩可能提供了宇宙中超过80%的r过程。

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参考期刊文献:《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1136-0

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