研究发现中子星碰撞是重元素的“金矿”

大多数比铁轻的元素是在恒星的核心中形成的。恒星的白热化中心为质子的聚变提供了动力,将它们挤压在一起以形成逐渐变重的元素。但除了铁之外,科学家们一直困惑于什么会产生金、铂和宇宙中其他的重元素,它们的形成需要比恒星所能提供的更多能量。

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由麻省理工学院和新罕布什尔大学的研究人员展开的一项新研究发现,在两个长期被怀疑的重金属来源中,有一个比另一个更像是一个金矿。

今日发表在《Astrophysical Journal Letters》上的这项研究报告称,在过去的25亿年里,在双中子星合并(即两颗中子星之间的碰撞)中产生的重金属比在中子星和黑洞之间的合并中产生的更多。

这项研究是首次比较这两种合并类型的重金属产量,另外还表明双中子星可能是我们今天看到的黄金、铂金和其他重金属的宇宙来源。这些发现还可以帮助科学家确定整个宇宙中重金属的产生速度。

这项研究的论文首席作者、麻省理工学院卡夫里天体物理学和空间研究所的博士后Hsin-Yu Chen说道:“我们对我们的结果感到兴奋的是,在某种程度上我们可以说双中子星可能比中子星-黑洞合并更像是一个金矿。”

Chen的共同作者还包括来自麻省理工学院物理学助理教授Salvatore Vitale和UNH的Francois Foucart。

一个有效的闪光

当恒星进行核聚变时,它们需要能量来融合质子以形成更重的元素。恒星在搅动从氢到铁的较轻元素方面是高效的。然而融合超过铁中的26个质子,在能量上会变得低效。

Vitale说道:“如果你想超越铁,建造更重的元素如金和铂,那么你需要用其他方式把质子扔在一起。”

科学家们已经怀疑超新星可能是一个答案。当一颗巨大的恒星在超新星中坍塌时可以想象其中心的铁会跟极端落下的较轻元素结合以产生较重的元素。

然而在2017年,一个有前景的候选者得到了确认,其形式是双中子星合并,分别由美国和意大利的引力波观测站LIGO和Virgo首次探测到。探测器探测到了引力波或说是时空的涟漪,它源于距离地球1.3亿光年的两颗中子星之间的碰撞,中子星是大质量恒星坍缩的核心,其中充满了中子,是宇宙中密度最大的物体之一。

宇宙的合并发出了闪光,其中含有重金属的特征。

Chen表示:“合并中产生的黄金的数量相当于地球质量的几倍。这完全改变了情况。计算结果表明,跟超新星相比,双中子星是创造重元素的一种更有效的方式。”

一个二进制的金矿

Chen和她的同事想知道中子星合并与中子星和黑洞之间的碰撞相比如何?这是被LIGO和Virgo探测到的另一种合并类型,有可能成为一个重金属工厂。科学家们怀疑,在某些条件下,黑洞可能会扰乱中子星,使其在黑洞完全吞噬该星之前就会产生火花并喷出重金属。

研究小组着手确定每种类型的合并通常可以产生多少黄金和其他重金属。为了进行分析,他们把重点放在LIGO和Virgo迄今对两个双中子星合并和两个中子星-黑洞合并的探测上。

研究人员首先估计了每次合并中每个物体的质量以及每个黑洞的旋转速度。他们认为,如果一个黑洞的质量过大或过慢它就会在有机会产生重元素之前吞下一颗中子星。另外他们还确定了每个中子星对被破坏的抵抗力。一颗星的抵抗力越强它就越不可能搅动出重元素。他们还能根据LIGO、Virgo和其他观测站的观测结果,估算了一个合并跟另一个合并的发生频率。

最后,研究小组使用Foucart开发的数值模拟计算出在天体的质量、旋转、破坏程度和发生率的不同组合下,每次合并将产生的黄金和其他重金属的平均数量。

平均而言,研究人员发现,双中子星合并产生的重金属比中子星和黑洞之间的合并多2到100倍。他们的分析所依据的四次合并估计是在过去25亿年内发生的。他们得出的结论是,至少在这一时期,双中子星合并产生的重金属元素比中子星和黑洞之间的碰撞要多。

如果黑洞具有高自旋和低质量,天平就会倾向于中子星-黑洞合并。然而科学家们还没有在迄今为止探测到的两个合并中观察到这些类型的黑洞。

Chen和她的同事们希望,随着LIGO和Virgo明年恢复观测,更多的探测将改善研究小组对每个合并产生重元素的速率的估计。这些速率,反过来可能会帮助科学家根据其各种元素的丰度来确定遥远星系的年龄。

“你可以使用重金属,就像我们使用碳来确定恐龙遗骸的日期一样,”Vitale说道,“因为所有这些现象都有不同的内在速率和重元素的产量,这将影响你如何给一个星系附上时间戳。因此,这种研究可以改进这些分析。”

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