哥倫比亞大學(xué)三位研究人員提出，坍陷吸積盤(pán)可能是最重元素的主要來(lái)源。Daniel Siegel, Jennifer Barnes和Brian Metzger于2019年5月8日他們發(fā)表在《自然》上的論文中描述了他們對(duì)中子星坍縮成黑洞時(shí)形成的吸積盤(pán)研究，以及他們的發(fā)現(xiàn)。太空科學(xué)家認(rèn)為最輕的元素氦、氫和鋰是在宇宙大爆炸之后產(chǎn)生的，還認(rèn)為鐵等較重的元素是在恒星的中心形成。但是像鈾和金這樣的重元素仍然是個(gè)謎——直到現(xiàn)在，還沒(méi)有一個(gè)合理解釋來(lái)解釋它們的起源。
在這項(xiàng)新研究中，研究人員提出，這些元素是在中子星坍縮成黑洞時(shí)形成的吸積盤(pán)中產(chǎn)生。先前的研究表明，最重的元素是由所謂的“r過(guò)程”產(chǎn)生，在這個(gè)過(guò)程中，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)導(dǎo)致原子核吸收中子。天體物理學(xué)家從理論上推斷，兩顆中子星相撞可能會(huì)讓位于發(fā)生r過(guò)程所需的條件，從而產(chǎn)生一些最重的元素。兩年前，觀測(cè)到第一波引力波的團(tuán)隊(duì)報(bào)告了兩顆中子星相撞的影響。隨后對(duì)該事件的研究表明，很可能發(fā)生了r過(guò)程，這一理論得到了強(qiáng)有力的支持。
但還有一個(gè)問(wèn)題。中子星的碰撞是一個(gè)罕見(jiàn)的事件——太罕見(jiàn)了，以至于無(wú)法解釋現(xiàn)今存在最重元素的數(shù)量。這使得研究人員開(kāi)始考慮其他中子星的活動(dòng)，比如它們的引力坍縮。先前的研究表明，中子星死亡時(shí)，會(huì)坍縮成黑洞。但并不是所有的物質(zhì)都落入黑洞；有些被留下，形成吸積盤(pán)。研究人員創(chuàng)建的計(jì)算機(jī)模擬顯示，吸積盤(pán)的條件已經(jīng)成熟，可以進(jìn)行r-反應(yīng)，從而產(chǎn)生最重的元素。研究小組認(rèn)為，這些元素中大約80%來(lái)自吸積盤(pán)，其余元素是中子星碰撞時(shí)產(chǎn)生的。
中子快速俘獲法(r-process)在中子星合并過(guò)程中產(chǎn)生元素在理論上是可以預(yù)期的，并且得到了引力波事件GW170817多體觀測(cè)的支持：這種產(chǎn)生路線理論上足以解釋宇宙中大部分重元素。對(duì)伴隨GW170817而來(lái)的kilonova分析表明，在新誕生黑洞周?chē)纬傻臍堄辔e盤(pán)中，有延遲的物質(zhì)流出，這是那次事件所產(chǎn)生重元素主要來(lái)源。類(lèi)似的吸積盤(pán)預(yù)計(jì)將在坍縮(由快速旋轉(zhuǎn)的大質(zhì)量恒星引發(fā)的超新星引發(fā)的坍縮)中形成，此前曾有人推測(cè)，這種坍縮會(huì)產(chǎn)生重元素。
在矮星系網(wǎng)II14中觀察到富含這類(lèi)元素的恒星，以及在較長(zhǎng)時(shí)間跨度內(nèi)銪相對(duì)于鐵的星系化學(xué)富集，與發(fā)生在恒星金屬度較低的稀有超新星現(xiàn)象相比，與發(fā)生在中子星合并上的現(xiàn)象更為一致。研究模擬表明，坍陷性吸積盤(pán)產(chǎn)生足夠的r過(guò)程元素，以解釋觀測(cè)到的宇宙豐度。雖然這些超新星比中子星合并更罕見(jiàn)，但每次事件所噴射出的物質(zhì)越多，其發(fā)生率就越低。新研究計(jì)算出，坍縮可能提供了宇宙中超過(guò)80%的r過(guò)程。
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參考期刊文獻(xiàn):《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1136-0
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