“快速中子俘获”:天文学家发现银河系中的“黄金标准”恒星

2022年05月16日 16:55 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

由密歇根大学的Ian Roederer领导的一个天文学家小组(包括卡内基梅隆大学的Erika Holmbeck),已经确定了在我们太阳以外的恒星中迄今观察到的最广泛的元素范围。他们的发现将发表在《天体物理学杂志》增刊系列上。

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研究人员在这颗被称为HD 222925的恒星中发现了65种元素。他们的鉴定将帮助天文学家更好地理解快速中子俘获过程--这是宇宙重元素产生的主要方法之一。

“据我所知,这是我们太阳系以外的任何天体的记录。而使这颗恒星如此独特的是,它有非常高的相对比例的元素,这些元素列在周期表的底部三分之二。我们甚至检测到了金,”卡内基梅隆大学的前博士后Roederer解释说。“这些元素是由快速中子俘获过程制成的。这确实是我们试图研究的东西:了解这些元素是如何、在哪里和何时被制造出来的物理学。”

许多元素是通过核聚变形成的,在核聚变中,两个原子核融合在一起并释放能量,创造出不同的、更重的原子。但是比锌重的元素是通过一个叫做中子俘获的过程形成的,在这个过程中,一个现有的元素一次获得额外的中子,然后"衰变"为质子,将原子的构成改变为一个新的元素。

中子可以在恒星内部长时间缓慢地被俘获,也可以在几秒钟内被俘获,当一个灾难性的事件导致中子爆发轰击一个区域时,中子就会被俘获。每种方法都会产生不同类型的元素。但这项研究感兴趣的是第二种。

“天文学家就什么现象可以触发这样的轰击争论了很多年,2017年证实重元素可以通过两颗中子星的碰撞产生--这一发现中,卡内基梅隆大学天文学家发挥了至关重要的作用,”Holmbeck说。“某些类型的超新星也可能产生这些重元素,但这还有待观察证实。”

Holmbeck正在撰写一篇后续论文,以确定在HD 222925中观察到的化学丰度是由中子星合并还是超新星形成的。

“这项研究中确定的额外元素提供了一个新的基线,可以与模拟结果进行比较,我们可以用它来揭示在HD 222925的独特化学特征中看到的重元素的起源故事。”

研究小组在HD 222925中发现的材料是在宇宙年轻时很早就合成的。它被抛出并扔回了太空,后来在那里重新形成了他们所研究的恒星。这意味着HD 222925可以被用作中子星合并或超新星产生的代表。

最重要的是,天文学家们使用了哈勃太空望远镜上的一个仪器,该仪器可以收集紫外线光谱。这是让天文学家收集光谱中紫外线部分光线的关键--这些光线很微弱,来自于像HD 222925这样的冷星。天文学家们还使用了智利拉斯坎帕纳斯天文台的一个麦哲伦望远镜来收集HD 222925的光学部分的光线。

这些光谱编码了恒星内元素的“化学指纹”,阅读这些光谱,天文学家不仅可以识别恒星中包含的元素,还可以识别恒星中含有多少元素。

“我们现在知道了在宇宙早期发生的一些R-过程事件的详细的元素输出,”研究共同作者、麻省理工学院的 Anna Frebel 说。“任何试图理解R-过程发生了什么的模型都必须能够重现这一点。”

这项研究的许多合著者是一个叫做R-过程联盟的小组的成员,这个小组由致力于解决R-过程的大问题的天体物理学家组成。这个项目标志着该团队的关键目标之一:以前所未有的详细程度确定哪些元素,以及在R-过程中产生的数量。

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