恒星碰撞如何形成宇宙中最重的元素

恒星碰撞经常在宇宙中发生。那么恒星的碰撞给我们地球以及人类带来了什么呢？今天我们就来看看恒星间的碰撞对于我们的影响。

首先恒星碰撞第一大影响就是：大量的恒星级的碎片。恒星的碎片就在我们周围，而且也在我们体内。比铁重的大量元素中，大约有一半源自宇宙中一些最剧烈的爆炸。随着宇宙汹涌澎湃，新的恒星和行星从旧的气体和尘埃中形成，这些元素最终进入了地球和其他世界。在我们的星球上经过37亿年的进化，人类和许多其他物种已经开始在我们的身体和生活中依赖它们。例如，碘是我们控制大脑发育和调节新陈代谢所需的荷尔蒙的一个组成部分。被称为等辐骨虫纲（Acantharea）的海洋微型浮游生物使用锶元素来创造复杂的矿物骨架。镓对于我们的智能手机和笔记本电脑屏幕中的芯片至关重要。而韦伯太空望远镜（JWST）的镜子是用金子镀的，这种元素因其不活跃的性质和反射红外光的能力而很有用，更不用说它在珠宝中的流行。

长期以来，科学家们对这些元素是如何形成的有一个基本的概念，但多年来，这些细节是模糊的，并在科学家之间产生了激烈的争辩。最近，当天文学家首次观察到重元素的合成过程时，情况发生了变化。证据表明，这个过程是如下这样的。

远古时代，一颗质量超过我们太阳10倍的恒星在一次壮观的爆炸中死亡，诞生了宇宙中最奇怪的物体之一：一颗中子星。这颗新生的恒星是恒星核心的残余物，被压缩到极端密度，在那里物质可以采取我们不了解的形式。这颗中子星可能已经在太空深处永远冷却了，这将是它故事的结束。但是大多数大质量的恒星都与一个孪生子生活在双星系统中，我们的第一颗恒星最终也遭遇了同样的命运，留下两颗中子星相互绕行。在一场持续了数千年的舞蹈中，这两颗恒星先是缓慢地螺旋上升，然后迅速地螺旋上升。随着它们越来越接近，潮汐力开始将它们撕开，将富含中子的物质以接近光速三分之一的速度抛向太空。最后，这些恒星合并了，在时空中激起了涟漪，并在整个电磁波段掀起了宇宙烟火。

在撞击发生时，我们自己的淡蓝色星球，在银河系约1.3亿光年外的一个安静部分，这颗蓝色的星球是恐龙的家。时空的涟漪，称为引力波，开始在宇宙中传播，在它们覆盖到地球的巨大距离的时间里，地球上的生命发生了无法识别的变化。新的物种进化和灭绝，文明兴起和衰落，好奇的人类开始仰望天空，开发出可以做不可思议的事情的仪器，比如测量时空的微小扭曲。最终，以光速传播的引力波和来自合并的光一起到达了地球。天体物理学家们认识到了一种独特的光芒，表明了新元素的存在。人类刚刚见证了重元素的产生。

作为研究宇宙灾难的专家，很多人对这个故事的科学性和浪漫性都很着迷，从一颗曾经发光的恒星的古老残骸中创造出新的、持久的、甚至是珍贵的东西。人类终于能看到它的发生。这一发现回答了天体物理学中几个长期存在的问题，同时也提出了全新的问题。许多科学家都感到振奋。他们新发现的探测引力波的能力，以及来自同一宇宙源的光，有望帮助我们了解天体物理爆炸和元素的合成，这在以前是不可能的。

我们是星尘

对了解重元素形成的探索是回答一个基本问题的更大科学努力的一部分。万物从何而来？周期表中的元素的宇宙历史从大爆炸后几分钟延伸到现在。第一批元素：氢、氦和锂的合成大约发生在宇宙诞生后三分钟。从这些成分中，第一批恒星形成了，在它们的生命和它们的爆炸性死亡过程中，在它们的核心中闪耀着光芒并融合了新的元素。下一代的恒星是从这些爆炸的碎片中诞生的，其中富含第一批恒星形成的元素。这个过程一直持续到今天，并构成了所有的元素，从轻质的氦，每个原子有两个质子，一直到铁，它的原子核有26个质子。最重的元素，如拥有117个质子的Ts，根本不是由自然界创造的。但是物理学家可以在粒子加速器内强迫它们存在，在那里它们通常只持续千分之一秒就会衰变。

几十年前，科学家们理论上认为，大约一半比铁重的元素是通过一个叫做快速中子俘获的过程产生的，即r-过程。其余的被认为是通过慢速中子俘获，即s-过程产生的。这是一连串相对容易理解的反应，发生在长寿命、低质量的恒星中。

r-过程和s-过程都涉及向原子核添加一个或多个中子。然而，添加中子并不产生一种新的元素，因为元素是由其原子核中的质子数量决定的。我们得到的是同一元素的更重的同位素：含有相同数量质子但不同数量中子的原子核。这种重的同位素通常是不稳定的，具有放射性。通过所谓的β-衰变，一个中子将转化为一个质子，在此过程中吐出一个电子和另一个称为中微子的亚原子粒子。通过这种方式，原子核中的质子数量增加，一个新的元素就诞生了。

s-过程和r-过程的关键区别在于速度。在s-过程中，原子缓慢地捕获中子，并且有足够的时间让新加入的中子衰变为质子，在周期表中创造出下一个稳定的元素：只多一个质子，然后再有另一个中子被捕获。这种情况发生在数千年后，因为在主导s·过程的恒星中，只有少量的额外中子在周围，所以原子只能偶尔捕获新的中子。

相比之下，r-过程可以在一次壮观的闪光创造中产生整个系列的重元素，而这一过程几乎没有持续一秒钟。在这种情况下，中子是丰富的，在它们有时间衰变之前就一个接一个地撞进原子核。一个原子核可以迅速膨胀成一个高度不稳定的同位素，一直上升到所谓的中子滴线。自然界允许的原子核内中子与质子比例的绝对极限。然后，这个极重的核子将通过β衰变将其许多中子转化为质子，甚至分解成更小的核子，最终产生一系列稳定的重元素。关于这个过程的许多细节还不清楚。例如，在一个核吸收了额外的中子之后，但在它变得稳定之前，会出现一些科学家不了解的奇异核子。这些介于两者之间的核子具有突破物理学界限的特性，在实验室中测量它们是困难的，有时甚至是不可能的。

多年来，科学家们提出了宇宙中许多可能发生r-过程的地方，但真相仍然是一个谜。在核天体物理学中是最大的谜，这个谜超过60年。长期以来，他们认为核塌缩超新星，质量超过我们太阳8到10倍的恒星的爆炸性死亡，可能是r-过程的宿主。但是对典型的核心坍缩超新星的模拟无法再现所需的中子丰富度和热力学条件，也许除了在强磁场驱动的罕见爆炸情况下。1974年，物理学家詹姆斯·M·拉蒂默（James M. Lattimer）和大卫·N·施拉姆（David N. Schramm）提出，解压的中子星物质可以为r-过程提供成分。

当一颗大质量恒星的核燃料耗尽，其引力导致核心向内坍缩时，中子星就诞生了。恒星质量对核心的压倒性力量将其压缩到极高的密度，导致电子和质子融合在一起，成为中子。当恒星的其他部分在超新星中被驱逐出去时，中子星仍然完好无损，一个包含宇宙中已知最密集物质的紧凑残余。质量超过一定限度的中子星会进一步坍缩成黑洞，但我们不知道这种转变的确切点，也不知道它们有多 "软"。中子星的内部结构是一个未决问题。它们可能主要包含中子和一小部分质子，在其表面的较重核的外壳内。但是它们的内部可能比这还要奇怪。在中子星的深处，物质可能采取真正奇怪的形式，从夸克-胶子浆构成正常物质的粒子到 "超子 "的海洋，后者由所谓的奇怪夸克构成。【备注：夸克–胶子等离子体（英语：quark-gluon plasma，简称QGP）又称夸克–胶子浆，俗称夸克汤（quark soup），是量子色动力学的相态，处于极高温与极高密度环境。据信这种状态存在于大爆炸宇宙诞生后的最初20或30微秒。欧洲核子研究中心（CERN）所属的超级质子同步加速器的实验首先尝试创造出QGP，时间大约是1980年代与1990年代，而且可能已达成部分成就。目前，布鲁克哈芬国家实验室的相对论性重离子对撞机（RHIC）的实验正接续这项工作。CERN的新型实验——大型离子对撞机实验和超环面仪器实验都已在大型强子对撞机（LHC）展开。】

拉蒂默（Lattimer）和施拉姆（Schramm）提出，当中子星与黑洞相撞时，富含中子的物质会被抛出。但到了1982年，科学家们倾向于一种涉及两颗中子星撞在一起的情景。当一些研究人员致力于了解这些碰撞如何合成新的元素时，其他研究人员则试图预测我们期望从中子星合并中看到什么样的光。一些人提出了中子星碰撞和伽马射线暴之间的联系，空间中高能量的爆炸，会发射出闪光的伽马射线。而且，由于r-过程核不稳定，会发生放射性衰变，它们应该能够加热周围的物质，并为电磁耀斑提供能量，而电磁耀斑会携带所产生的元素的特征。2010年，布莱恩·梅茨格和他的合作者在确定它们将比被称为新星的普通闪光更亮约1000倍之后，提出了 "千禧年 "一词来指称这种耀斑，该词于1998年首次提出。

尽管在理论上有了很大的发展，但几乎没有直接的确认，直到几年前，一组非凡的观测结果直接看到了中子星合并的核心。

宇宙交响乐

2015年，位于美国华盛顿州的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）做了一件非同寻常的事情：它首次观测到了引力波，它是由两个黑洞相互旋转和合并产生的。这次探测被命名为GW150914。很多的天文学家感觉被深深感动了。很多人试图吸收一切他们可以吸收的关于我们宇宙的新窗口。中子星合并产生的能量比黑洞合并少，所以它们更难被发现。很多的科学家都抱着希望，认为很快实验也会发现它们。

几年过去了，LIGO天文台和它的同胞观测站Virgo探测到了更多的双体黑洞碰撞。然而，中子星的合并仍然遥遥无期。然后，在2017年秋天，传言说LIGO-Virgo首次看到了中子星碰撞。传闻暗示，除了引力波信号之外，天文学家还观察到了一个短的伽马射线暴和一些看起来很像千禧年的东西。物理学家们的兴奋之情溢于言表。

很快，来自LIGO和世界各地各种望远镜的科学家们宣布了被称为GW170817的引力波观测，以及相关的电磁信号。很多人被这些观测结果已经产生的大量新知识所震惊。就在第二天，arXiv.org网站上有近70篇关于GW170817的新论文，该网站是研究人员可以发表早期未经审查的论文的地方。这一事件预测了多信使天文学的前景，通过不同的 "信使 "看到宇宙现象，并结合这些信息来实现对事件更全面的理解。这是天文学家第一次看到引力波和光：包括无线电、光学、X射线和伽马射线光，这来自同一个天体来源。

LIGO-Virgo看到的引力波起源于一对中子星的碰撞，距离地球约1.3亿光年。这可能看起来很远，但对于引力波源来说，这实际上是很近的。信号的细节，例如波的频率和强度如何随时间变化，使研究人员能够估计每颗中子星的重量大约是我们太阳质量的1.17至1.6倍，半径大约为11至12公里。

引力波信号一到，天文学家们就用传统的望远镜进行跟踪。通过合作，LIGO和Virgo将GW170817的位置范围缩小到一个比以前的引力波事件小得多的天空区域。在引力波传来大约1.7秒后，伽马射线望远镜Fermi-GBM和INTEGRAL探测到了一阵微弱的伽马射线，只持续了几秒钟，与GW170817来自同一方向。这一发现首次明确地将中子星合并与短伽马射线暴联系起来。但还有更多的发现! 智利Las Campanas天文台的Henrietta Swopes一米望远镜拍摄的图像显示，一个新的光源位于古老但明亮的星系NGC4993。通过将光线分解成不同的颜色并检查其光谱，天文学家得出结论，该信号与重元素在那里被锻造的观点一致。我们看到的是一个真正的千禧年。

千禧年的光谱随时间变化的方式很有趣。较短波长的光，也就是较蓝的光，在早期达到了峰值，而较长的红色波长的光则在后来成为主导。这些峰值可以用从合并中喷出的物质的成分和速度来解释。一个蓝色的千里眼可能是由快速移动的喷射物产生的，喷射物主要由较轻的重元素组成，没有任何 "镧系元素"：从镧到镥的金属周期元素，这些元素对蓝光高度不透明。相比之下，红色千禧年需要缓慢移动的喷射物，其中含有大量的重元素，包括镧系元素。

合并是如何产生这些不同的成分的？这个问题将我们置于不确定的领域，即理论和模拟的领域。研究人员仍在试图了解碰撞是如何喷出物质的，这些物质是由什么构成的，以及由此产生的新千里镜是如何展开的。基洛诺娃的光谱是非常难解的。因为材料的运动速度如此之快，各种元素的指纹会被弄乱并混合在一起。我们也缺乏许多较重元素的可靠原子数据，所以很难预测它们的光谱特征是什么样子的。到目前为止，在GW170817千禧年的光谱中，唯一可信的单个元素检测是锶。不过，这足以表明发生了r-过程。

这一奇异事件的发现证实了几十年的理论预测。天体物理学家终于在中子星合并和短伽马射线暴之间建立了联系。千禧年的光谱带有重元素的特征，证实了中子星合并至少是一个产生r-过程元素的场所。

但仍有许多东西有待了解和发现。在合并中产生短伽马射线暴的机制仍不清楚。合并中喷出的物质的特性也会被中微子以重要的方式改变。在理论模型中仔细跟踪这些粒子和它们的相互作用是必要的，但也是具有挑战性的，往往需要大量的计算能力。我们也不知道中子星合并时产生了什么物体。它可能是另一颗中子星，一颗正在变成黑洞的中子星，或者一个黑洞。最后，尽管我们现在知道中子星合并可以承载r-过程，但它们并不是唯一发生这种情况的地方。

对含有r-过程元素的非常古老的恒星的观测表明了其他的可能性，这包括罕见的超新星和中子星与黑洞的碰撞。我们将无法通过任何一次观测来揭开重元素的起源，不管是多么不寻常。GW170817只是一个开始。

新的机会

我们不能指望所有的千里镜看起来都和与GW170817有关的那颗一样。我们怀疑它们有多种形式，每一种都有独特的特征，我们会有很多惊喜。事实上，西北大学的天文学家最近发现了一颗千禧年新星和一个长的伽马射线暴：这种有趣的组合表明，合并也会产生具有较长光曲线的伽马射线暴。

为了理解r-过程，几个学科的专家必须一起工作：观测天文学家研究新老恒星，引力波天文学家测量时空扭曲，核理论家构建核结构和中子星内部物质的模型，实验核物理学家追踪不稳定的富中子核的特性，以及计算天体物理学家通过解决方程来模拟中子星合并等事件，这些方程需要在世界上一些最大的计算机上进行处理。

随着现有的引力波观测站变得越来越敏感，新的望远镜将上线，以收集来自瞬态天空的光线。新的项目，如2022年5月在密歇根州立大学开放的稀有同位素光束设施，将测量稀有核子的核属性。拟议的引力波观测站，如地面的爱因斯坦望远镜，目前正在欧洲进行规划。

许多领域数十年的进展已经把我们带到了一个地步，我们可以用几年前还无法达到的方式来研究重元素的起源。我们终于准备好把所有的碎片放在一起。周期表中每种元素的每一种同位素都有可能告诉我们一些关于宇宙核历史的信息。