研究:宇宙黄金可能源自黑洞吸积盘

2021/11/24 10:49:51 来源:新浪科技 作者:叶倾城 责编:远洋

北京时间 11 月 24 日消息,据国外媒体报道,宇宙中的化学元素从何而来?像金和铀这样的重元素是如何形成的?目前,德国亥姆霍兹重离子研究中心(GSI)带领一支国际研究小组获得了新的发现,计算机模拟表明某些黑洞周围的吸积盘对于重元素形成是至关重要的,同时该研究有助于对已形成元素丰度进行预测,未来“反质子和离子研究(FAIR)”等科研项目将对重元素进行深入分析,从而揭晓宇宙重元素的起源谜团。

现今地球上所有重元素都是在极端天体物理环境下形成的,例如:恒星内部、恒星爆炸和中子星碰撞,研究人员对能形成重元素(金或者铀)的天体物理事件颇感兴趣,2017 年首次观测到源自中子星合并的引力波和电磁辐射,表明这些宇宙碰撞中可以产生和释放许多重元素。然而,这些物质何时以及如何被喷射,以及是否其他天体物理事件可能产生重元素,亟待进一步探索分析。

目前科学家认为有可能产生重元素的“候选目标”是被稠密热物质组成吸积盘环绕的黑洞,这样的黑洞系统通常是在两颗大质量中子星合并或者坍缩星(一颗旋转恒星坍缩和随后发生爆炸)期间形成的,到目前为止,科学家还不是很了解吸积盘的内部结构,特别是在形成过量中子的条件下。大量中子是重元素合成的一个基本条件,因为它能够实现快速中子捕获过程,几乎无质量的中微子在该过程中发挥了关键作用,因为它们使质子和中子之间的转换成为可能。

研究中首次通过精心设计的计算机模拟系统地研究了大量吸积盘的中子和质子转化率,结果显示只要满足某些条件,吸积盘中就有丰富的中子,决定性因素在于吸积盘的总质量。吸积盘质量越大,在中微子释放下通过捕获电子而形成的质子数量就越多,并且可以通过快速中子捕获过程合成重元素,然而,如果吸积盘的质量太大,所形成的反作用就会增加,因此更多的中微子在离开吸积盘之前被中子捕获,然后这些中子被转换成为质子,从而阻碍了快速中子捕获过程。

研究表明,能够制造大量重元素的“最佳吸积盘”质量约是太阳质量 0.01-0.1 倍,该结果提供了强有力的证据,显示中子星合并产生的吸积盘质量与“最佳吸积盘”质量相近,这意味着中子星可能是大量重元素的起源地。然而这样的吸积盘在黑洞系统中的形成机制尚不清楚。

研究人员研究吸积盘物质抛射之外,还分析了抛射物质产生的光信号,它可用于未来观测中子星碰撞时推断抛射物质的质量和成分。此外,分析这些光信号的组成部分有助于洞察新形成元素的质量和其他特征,目前的观测数据并不充分,未来基于新一代天文装置将有望获得前所未有的勘测精度,进一步核实中子星合并是否是快速中子捕获过程的起源。

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关键词:黑洞宇宙起源吸积盘

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