“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。

之前的研究表明，早期宇宙中的罕见事件引发了r—过程，至少在其它发出超微弱光线的矮星系中是如此，这类研究建立在假想的或没有外部气体流进星系基础上，而天文团队新的研究方法更加具体，更有说服力，在网罟座II中发生了中子星合并的罕见事件，通过r—过程产生了丰富的金属元素。之前的研究表明了一种观点，中子星合并事件似乎直到后来才占据了主要过程，罕见的事件不会发生在早期宇宙，经过了很长时间，双中子星的形成和相互绕转才有可能，这意味着宇宙在r—过程形成之前已经变老，脱离了早期形态。天文团队新的研究成果显示，早期宇宙可能发生双中子星的合并事件，从中产生了銪一类的重金属元素。

(编译：2016-4-8)