研究：重元素合成在具有轨道物质积累的黑洞中为典型现象

宇宙中的化学元素是如何产生的？像金和铀这样的重元素是从哪里来的？来自德国达姆施塔特的GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung的一个研究小组跟来自比利时和日本的同行一起使用计算机模拟显示，重元素的合成在某些具有轨道物质积累的黑洞中是典型现象，即所谓的吸积盘。

所形成的元素的预测丰度提供了对哪些重元素需要在未来的实验室--如目前正在建设的反质子和离子研究设施(FAIR)--进行研究的洞察力以解开重元素的起源。这些结果发表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上。

今天地球上的所有重元素都是在天体物理环境的极端条件下形成的：在恒星内部，在恒星爆炸中以及在中子星的碰撞中。研究人员对这些天体物理事件中哪些存在着形成最重元素如金或铀的适当条件这一问题非常感兴趣。

2017年对源自中子星合并的引力波和电磁辐射的首次壮观观测表明，许多重元素可以在这些宇宙碰撞中产生和释放。然而问题仍未得到解决，即材料何时和为何被抛出以及是否可能有其他可以产生重元素的情况。

有望产生重元素的候选者是由密集和热物质的吸积盘围绕的黑洞。这样的系统既是在两颗大质量中子星合并后形成的，也是在所谓的塌陷星即一颗旋转星的塌陷和随后的爆炸中形成的。截止到目前，这种吸积盘的内部组成还没有得到很好的理解，特别是在形成过量中子的条件方面。高数量的中子是合成重元素的基本要求，因为它能够实现快速的中子捕获过程或r过程。近乎无质量的中微子在这一过程中起着关键作用，因为它们能够在质子和中子之间转换。

来自GSI研究部门理论部相对论天体物理学组的Oliver Just博士解释称：“在我们的研究中，我们首次通过精心设计的计算机模拟系统地研究了大量圆盘配置的中子和质子的转换率。我们发现，只要满足某些条件，圆盘的中子含量就非常丰富。决定性的因素是圆盘的总质量。圆盘的质量越大，中子就越经常通过在中微子发射下捕获电子而从质子中形成，并可用于通过r过程合成重元素。如果圆盘的质量太高，反作用就会发挥更大的作用，从而使得更多的中微子在离开圆盘之前被中子重新俘获。然后这些中子又被转化为质子，这就阻碍了r过程的发生。”正如该研究显示的那样，多产重元素的最佳圆盘质量约为0.01至0.1太阳质量。这一结果提供了强有力的证据，即产生具有这些确切质量的吸积盘的中子星合并体可能是很大一部分重元素的起源点。然而这种吸积盘是否在塌陷系统中出现以及出现的频率如何目前还不清楚。

除了质量喷射的可能过程，Andreas Bauswein博士领导的研究小组还在研究由喷射物质产生的光信号，这些信号将在未来对碰撞中子星的观测中被用来推断喷射物质的质量和成分。正确解读这些光信号的一个重要基石是对新形成元素的质量和其他属性拥有准确的了解。“这些数据目前还不够。但随着下一代加速器的出现如FAIR，未来将有可能以前所未有的精度来测量它们，”Bauswein预测道，“理论模型、实验和天文观测的良好协调的相互作用将使我们研究人员在未来几年内能够测试中子星合并作为r过程元素的起源。”