小行星|“从天儿降”的重元素来自中子星碰撞


小行星|“从天儿降”的重元素来自中子星碰撞
文章图片
小行星|“从天儿降”的重元素来自中子星碰撞
【小行星|“从天儿降”的重元素来自中子星碰撞】罕见的天文事件可能是宇宙中超重元素形成的必要条件 , 中子星合并可能是产生很多比锌元素更重的元素的关键路径 。 宇宙在诞生过程中熔合了少量的轻元素 , 而元素周期表的元素主要在恒星中心的“火炉”炼制 , 但强大的恒星“内芯世界”也会显得无能为力 , 对足够重、典型的比锌元素更重的元素而言 , 两个更轻的原子核在发生核聚变反应时缺少了足够的强度 , 已经难以产生一定数量的足够重的物质元素 。 如何产生比锌元素更重的元素?其它天体的聚变过程可能提高对中子的捕获能力 。
当中子和原子核发生碰撞时 , 中子可能直接撞进原子核的内部 , “不期而遇”的原子核收获了得来不易的中子 。 捕获中子的原子核相当于形成了更重的原子核 。 中子与原子核的碰撞与合并过程可能发生在低的能级中 , 而更低能量的中子有电中性 , 中子因此没有受到原子核的排斥 , 而带有电荷的质子有所不同 , 如果产生的重原子核不稳定 , 那么其中的一个中子将衰变为一个质子 , 原子核捕获中子的过程产生了更重的元素 。
很多重元素是通过捕获中子形成的 , 但科学家没有掌握聚变反应过程的所有细节 。 中子的捕获过程有两种类型:慢过程(s—过程)和快过程(r—过程) , 这两种过程在产生宇宙的化学元素时各占有一半的比重 。 中子捕获的s—过程通常发生在被称为渐进巨星内部 , 相当于太阳质量的恒星在演变晚期发生了巨大的膨胀 , 红巨星的亮度达到了太阳的数千倍 。 太阳在生命周期的最后阶段将会变为一颗渐进红巨星 。 r—过程显得更为神秘 , 这一过程构成了宇宙中更重元素形成的主要原因 , 但科学家还不清楚如何确定r过程的性质 , 经过了60年的探索和努力 , 他们没能给出详细的物理解释 。
通过对银河系银晕区古老恒星的研究 , 科学家发现 , 在超新星一类天体的核球塌缩过程中 , r—过程持续地发生 。 其它证据表明 , r—过程仅仅发生在诸如:双中子星合并的罕见天文事件 。 元素銪通过中子捕获而形成 , 这被作为r—过程的常见证据 , 天文学家在矮椭球星系中发现了含量丰富的銪元素 , 而小的矮椭球星系一般绕更大的星系旋转 。 这类研究给出了一个观点:在早期宇宙发生的诸如中子星合并的罕见事件导致了r—过程的产生 , 这是銪元素产生的基本原因 。
这类观点依赖于一种假设:不会有太多的物质流入星系 , 如果有其它的物质流入星系 , 那么人们倾向于对其它模型的选择 。 r—过程的发生更为常见 , 诸如:超新星暴 , 任何流入星系的主要气体是氢气 , 增多的氢元素降低了星系中銪元素的相对数量 , 而天文学家观测到了稳定比例的銪元素 。 存在某种銪元素产生的恒常机制 , 寻常的天文事件产生了更多的銪 , 与双中子星合并的大事件相比 , 超新星暴是寻常的天文事件 。
r—过程究竟是罕见的事件 , 还是寻常的事件 , 一支天文团队开始了解开事实真相的发现之旅 , 他们把眼光投向古老、亚类的球状矮星系 , 与典型的球状矮星系相比 , 发出了超弱光线的矮星系体积小 , 化学成分简单 , 宇宙诞生之后的第一批恒星形成了它们 , 由于处在宇宙早期历史的头30亿年 , 亚类的球状矮星系成为了十分理想的研究对象 , 天文团队期待从中找到宇宙早期中子捕获的证据 , 他们首先观测了网罟座(Reticulum)II , 它是金属元素最贫乏的矮星系之一 。
天文学家将任何比氢重的元素都称为金属元素 , 而金属元素的含量表征了恒星的某种特性 , 星系中的恒星是否经历了超新星的爆炸?低金属含量的信息表明 , 网罟座(Reticulum)II中的超新星没有那么多 。 在高分辨率光谱仪的帮助下 , 团队成员检测了星系中最亮的9颗恒星 , 其中的7颗含有极为丰富的銪元素和其它经过了中子捕获的金属元素 , 而金属元素的丰富性与理论预期的r—过程保持一致 , 通过r—过程实现了元素的丰富性 。 78%的恒星在r—过程中产生了高丰度的元素 , 而在银河系的银晕中估计只有5%的恒星有如此高的丰度 。
金属元素的数量比其它发出超微弱光的矮星系高出了2到3个数量级 , 对比的结果表明了 , 单一、罕见的事件在网罟座II产生了r—过程 , 炼制了丰富的金属元素 。 通过两种或两种以上天文事件产生了与r—过程相一致的金属元素丰度 , 这种可能性只有不到1%的可能性 。 这些天文事件不太可能是由超新星的核球塌缩引起的 , 不然的话 , 相似的天文事件将会在网罟座(Reticulum)II的晚期演变中产生更多的金属元素 。 诸如中子星合并的罕见事件更有可能在球状矮星系发生 。