新研究:黄金到底从何而来?

原理 2020-09-17 20:29



1957年,一篇长达108页的论文问世。论文详细探讨了元素是如何在恒星生命周期的不同阶段形成的,解释了氢转化为氦的核合成过程,并扩展到了直到等重元素的生成。它告诉我们,我们生活的这个世界中的许多元素都诞生于恒星中。正如卡尔·萨根所说,“宇宙就在我们的身体中,我们都是星尘”。


这篇题为《恒星中的元素合成》的论文成了化学元素的宇宙起源的奠基性研究,人们常以四位论文作者(伯比奇夫妇、福勒与霍伊尔)的姓氏开头字母将它简称为B²FH。这四位科学家还证明了,超新星爆发时的快中子捕获过程创造了比铁更重的元素,从而将恒星的组成进一步扩展到等元素。



 这篇开创性的论文经常被称为B²FH,图中显示了在恒星中的元素合成的核过程。| 图片来源:E. M. Burbidge et al. / Reviews of Modern Physics Vol. 29, No. 4, P. 547 (1957) / American Physical Society


简单来说,宇宙中所有元素都是从宇宙大爆炸中产生的。大爆炸同样制造了和少量。这些就是恒星制作“元素料理”的“原材料”。恒星可以被想象成一个巨大的“高压锅”,新的元素在其中不断生成。创造这些元素的反应也提供了能量,使恒星能在数十亿年内发光发热。随着恒星年龄的增长,它们的内部温度不断升高,随之产生越来越重的元素。(更多有关元素的宇宙起源介绍,详见《来自________的你》以及《1、2、3……118》。)


质量决定了哪些元素会被锻造出来,在每颗恒星生命的最后时刻,这些元素会被释放到星系中。比如,如果是质量非常大的恒星,元素可能会被爆炸性地释出,如果是和太阳质量差不多的恒星,这些元素则会密集地流出,类似太阳风那样。


 这张元素周期表展现了元素的宇宙起源,不同色块的面积代表不同起源所占的比例。| 图片设计:雯雯子;参考素材:NASA


随着人们对元素的宇宙起源的认识,一张多彩的元素周期表逐步完善。但近期的一项新研究似乎有意改写这份结果。在一项发表于《天体物理学期刊》的研究对宇宙演化模型提出了新挑战。新研究还生成了一张看起来不一样的“新版本”元素周期表,更详细展示了从碳到铀等自然形成的元素的恒星起源



新的研究首次根据第一性原理计算出了从碳到铀的所有自然元素的恒星起源。研究人员利用到了理论上的核合成产量以及所有化学富集来源的事件概率,并在先前研究的基础上改进,更详细地计算了恒星质量、年龄和排列在元素形成中的相对作用。


 这张元素周期表展现了元素的宇宙起源随时间的变化情况。在每个元素的小格中,横轴代表时间(从大爆炸到现在的138亿年),纵轴代表相对太阳的丰度。| 图片来源:C. Kobayashi (2020)


研究的第一作者小林千晶(Chiaki Kobayashi)介绍,几乎没有任何一种元素仅仅是通过一种恒星形成的。比如,一部分元素是由垂死的小质量恒星生成的,而另一部分则来自超新星。对来说,一部分来自大质量恒星形成的普通超新星,但还有一部分则需要另一种宇宙过程,被称为Ia型超新星,它是在低质量恒星的双星系统中产生的。


此外,在宇宙中,受到引力束缚的一对大质量恒星可以转变成中子星,中子星是恒星燃烧殆尽后留下的超高密度残骸。当这些中子星发生并合时,碰撞会产生自然界中最重的那些元素,比如我们熟悉的金。长期以来,理论认为,在比铁元素更重的元素中,有半数是在中子星碰撞并合时形成的。直到2017年人们首次观测到了中子星并合事件,理论才得到证实。


但新的模型显示,这些来源相加后的结果却“对不上”。尤其是,研究人员发现,中子星的作用可能被大大高估了即使是对中子星并合频率最乐观的估计,似乎也没有足够多的碰撞来解释这些元素在今天宇宙中的丰度。最有代表性的结果之一就是,模型计算得出的金元素的丰度远低于观测的数据


此外,其他一些元素的模拟结果也与实际观测产生了出入,比如,与观测结果相比模型中的“产量”过高。这些结果都可能改变目前公认的宇宙演化模型,尤其是我们对重元素生成的认识。



研究人员认为,重元素的生成或许需要一种截然不同的恒星现象,我们或许需要确认一种新的恒星爆发或者核反应。研究作者在采访中提到,一些重元素的主要来源很可能是一种极不寻常的超新星,它在坍缩的同时旋转得非常快,并且会产生强磁场。


他们同时表示,未来的研究也可能会发现,中子星并合比我们目前认为的更为频繁。但这都需要进一步的探索以及更多数据支持。


参与研究的Maria Lugaro博士也相信,“宇宙黄金失踪”的谜团可能在不久的将来就能被解开。因为目前全世界许多核研究机构都在研究与中子星并合有关的稀有原子核。这些原子核的性质尚不清楚,但它们在很大程度上控制着重元素丰度的产生。“黄金失踪”的天体物理问题,或许可以通过核物理实验来解决。



参考来源:
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/acoe-eos091320.php
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abae65

面来源:NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

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