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重金属元素起源何处?科学家首鉴定出双中子星合并后产生的重元素

2024-11-02 231


2 年前,人类第一次发现双中子星并合事件,天文学家怀疑宇宙重金属元素应该会形成自其中的千新星爆炸过程。现在,天文学家正式从中找到了新鲜热腾腾的重元素“锶”(常见添加于烟火中),再度佐证重元素如谜般的起源之一为双中子星合并。

2017 年 8 月 17 日,人类首度侦测到由双中子星合并产生之重力波,该事件命名为“GW170817”,发生地点位于离地球 1.3 亿光年的 NGC 4993 星系中,同时也证实元素周期表中重金属(如金、铂)的来源之一,就是双中子星并合过程。

我们知道一颗大质量恒星在走到生命最后会经历超新星爆炸(supernova)阶段,将大部分物质向外喷射,最后只留下冷却的核心漂浮在宇宙中;而两颗中子星并合时除了引起重力波外,也会经历类似的爆炸过程,称为千新星(kilonova)。物理学理论过去长期怀疑,宇宙中大约有一半重元素是经由“快中子捕获过程”形成,而 2017 年的双中子星并合事件,证实了快中子捕获过程会出现在千新星爆炸过程中。

GW170817 事件发生后,ESO 甚大望远镜(VLT)的 X-shooter 仪器就拍摄了从紫外线到近红外光的各种光谱,当年对这些光谱的初步分析表明,千新星事件确实创造出新的重元素,但直到现在,天​​文学家才终于鉴定出其中一个重元素的身份:原子序数 38 的锶(Strontium,化学符号 Sr)。

在地球上,锶自然存在于土壤中和某些矿物质中,常见添加于烟火使火花呈现鲜艳红色。

为什么鉴定一个元素要花这么长的时间?这是因为元素原子结构复杂,可以生成数百万种尚未被完全识别的光谱特征,研究人员很难迅速抓出单种元素的光谱特征,而锶的原子结构在重元素中算是相对简单,会在蓝光和红外光波段产生 2 条明显的吸收谱线(元素会吸收特定波长的光)。

此外,新研究主要作者 Darach Watson 表示,产生重元素锶的背后关键还可能与“幽灵粒子”微中子有关,为了创造出像锶这样较轻的重元素,首先必须先交由微中子轰炸中子,好让后者能更快分解成质子和电子。

虽然目前科学家还很难从中子星碰撞事件中检测到其他重元素(重元素太复杂,我们对重元素原子结构的质量相关数据还很少),但随着逐渐深入研究中子星内部,将帮助科学家厘清越来越多物理难题。

新论文发表在《自然》(Nature)期刊。

  • We May Finally Know How the Universe’s Heavy Elements Formed
  • For The First Time, a Heavy Element Has Been Detected Forming in a Neutron Star Merger
  • A collision of neutron stars created a fireworks element in space
  • First identification of a heavy element born from neutron star collision

(首图来源:ESO)

延伸阅读:

  • 天文圈轰动了!LIGO 证实首侦测中子星并合之重力波,解谜黄金起源
2019-10-24 21:28:00

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