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中子星碰撞产生“从天儿降”的重元素

2018-07-14

罕见的事件也许是形成宇宙中最重元素的必要条件,中子星的合并也许是创造许多比锌更重元素的关键路径。在到达某一点后,元素周期表上的元素主要地由恒星的“心脏”产生,但是,恒星强大的“内芯世界”也有无能为力的时候,对于足够重的元素而言(典型的比锌更重的元素),两个更轻的原子核在发生核聚变反应时缺少足够的效率,难以产生显著数量的足够重的元素。为了形成那些比锌更重的元素,提升捕捉中子的能力,其它天体的聚变过程是需要的。

当中子和原子核发生碰撞时,中子会一头撞进原子核的“怀里”,此时,“欢天喜地”的原子核捕获了“来自不易”的果实——中子。原子核捕获了中子,等同于创造了一个更重的原子核,中子和原子核的碰撞与合并能够发生在更低的能级中,因为这些更低能量的中子具有电中性,它们因此不会受到原子核的排斥,不像质子,质子带有电荷。如果产生的更重原子核不稳定,那么,其中之一的中子能够衰变为一个质子,如此的过程创造了一个更重的元素。

很多的重元素都是通过捕获中子形成的,但是,科学家还没有掌握聚变反应发生的所有细节,有两种类型的中子捕获过程:慢过程(s—过程)和快过程(r—过程),两种过程在产生宇宙中的化学元素时各占一半的比重。s—过程的中子捕获通常发生在一种称之为渐进的巨星内部,一种恒星在演变的晚期发生巨大的膨胀,变成一颗红巨星,亮度可以达到太阳的数千倍,我们的太阳也不例外,它在生命周期的最后阶段将变成一颗渐进的红巨星。r—过程则更为神秘,这一过程的发生构成了宇宙中更重元素形成的主因,但是,科学家不知道如何确定这一过程的属性,尽管经过了60年时间的努力,还是不能给出“铁板钉钉”的理论解释。

一些理论着眼于研究位于银河系银晕区的古老恒星,研究显示,在诸如超新星一类天体的核球塌缩的过场中,r—过程能够持续地发生。其它的证据指示了r—过程仅仅发生于罕见的天文事件,诸如:双中子星的合并。

元素銪也是通过中子捕获而产生的,常常作为r—过程的证据,已经在矮椭球星系中观测到丰富的銪元素,小的矮椭球星系常常绕着更大的星系旋转。这些研究提出了一种观点,在早期宇宙中像中子星合并一类的罕见事件能够导致r—过程的发生,指示了元素銪的创生。

然而,这些观点依赖了一种假设:没有太多的物质流入这些星系,如果有其它的物质进入,那么科学家就会倾向于选择另外的模型,认定r—过程的发生会更为常见,诸如:超新星暴,这是因为任何流入的气体主要是氢气,氢元素的增加会降低星系中銪元素的相对数量,由于科学家观测到了一种稳定比例的銪元素,因此,存在一种产生銪元素的恒常机制,通常的天文事件可以产生更多的銪,诸如:超新星暴与双中子星合并事件相比,属于通常的天文事件。

为了发现r—过程是罕见性的,还是寻常性的,一支天文团队开始了发现之旅,他们把眼光放在更加古老的,另一亚类的球状矮星系上,比起典型的球状矮星系,发出超弱光线的矮星系的体型更小,化学成分更简单,它们由宇宙诞生后的第一批恒星形成,处在宇宙早期历史的头30亿年之内,使得它们成为理想的研究对象,团队成员从中寻找宇宙早期的中子捕获活动,他们将目光聚焦在网罟座(Reticulum) II上,它是其中之一的一个金属元素最贫乏的矮星系。

金属元素(天文学家将任何比氢更重的元素称之为金属元素)可以表征一种信号,表明星系中的恒星是否经历过超新星的爆发,低的金属含量水平指示出,在网罟座(Reticulum) II中,超新星的爆发没有那么多。使用高分辨率的光谱仪,研究人员检测了星系中九颗最亮的恒星,其中的七颗含有极其丰富的銪元素和其它经过中子捕获的金属元素,这些金属元素的丰富性与理论预期的r—过程相互一致,或者说,通过r—过程能够具有这些元素的丰富性。在网罟座II中,整个的78%的恒星具有高丰度的在r—过程中生存的元素,相比较一下,在银河系的银晕中估计只有5%的恒星具有如此的丰度。

这种元素的数量比其它发出超微弱光亮矮星系的高出了2到3个数量级,天文团队成员的解释是:对比的结果显示了一种含义,单一的、罕见的事件在网罟座II中产生了r—过程,带来了丰富的金属元素。他们估计,在这些恒星中,通过两种或两种以上天文事件产生的与r—过程一致的金属元素只有不到1%的可能性。

进一步说来,他们认为,这些天文事件不太可能由超新星的核球塌缩引发,否则,相似的天文事件将会在网罟座(Reticulum)II晚期的历史中创生更多的这些元素。罕见的事件,诸如:中子星的合并,更有可能发生在这些球状矮星系内。之前的研究认为,r—过程在早期的宇宙中通过罕见的事件引发,至少在其它发出超微弱光线的矮星系中是如此,这种研究建立在一种假想的基础上,即:没有外部的气体物质流进这些星系。天文团队的新研究体现得更为具体,提出了更有说服力的理由,网罟座II中通过r—过程产生的金属元素是罕见事件带来的,诸如:中子星的合并。

之前的研究提出了一种观点,中子星的合并也许直到后来才占据了主要的过程,这些罕见的事件也许不会发生在早期的宇宙,需要经过很长的时间,双中子星才能形成并相互绕转,这意味着在r—过程形成之前,宇宙已经变老了,已经不是早期的形态,然而,天文团队新的研究显示,在宇宙的早期可以发生双中子星的合并事件,产生銪一类的金属元素,他们的研究成果挑战了之前的思路和观点。

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来自:程浩瀚  > 待分类
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