烈火锻造：伽马射线爆发创造了宇宙中最重的元素

物理学家提出，坍缩恒星产生的高能光子喷流可能是钚等重元素的秘密工厂，这对传统理论提出了挑战，并可能解释地壳中奇怪的宇宙辉光和金属痕迹。

物理学中最大的未解之谜之一是宇宙是如何创造出元素周期表上最重元素的。为了解答这个问题，由洛斯阿拉莫斯国家实验室领导的一个团队正在探索一个此前未知的环境：大质量恒星坍缩过程中伽马射线爆发产生的强烈喷流及其周围物质，即所谓的“茧”。

在发表于《天体物理学杂志》的一项研究中，研究人员提出，这些喷流深处的高能光子可能会分裂坍缩恒星的外层，将质子转化为中子。中子的突然爆发可能引发一系列反应，最终形成铀和钚等重元素。

一束高能光子喷流（白色和蓝色）穿过一颗中心带有黑洞的坍缩星。喷流周围的红色空间代表着一个茧，自由中子可能在这里被捕获，从而引发r过程，即导致重元素形成的核合成。图片来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室

“铀和钚等重元素的形成需要极端条件，”洛斯阿拉莫斯物理学家马修·穆姆鲍尔（Matthew Mumpower）说道。“宇宙中只有少数几个可行但罕见的场景可以形成这些元素，而所有这些场景都需要大量的中子。我们提出了一种新现象，这些中子并非预先存在，而是在恒星内部动态产生的。”

通常情况下，自由中子衰变很快，仅能存活约15分钟，这限制了它们参与元素生成反应的机会。但在适当的环境下，可以发生一个称为快速中子俘获过程（或称“r过程”）的过程。据信，这一过程是宇宙中所有自然生成的钍、铀和钚的诞生之源。

该团队的模型通过引入恒星坍缩过程中可能发生的新反应途径，为 r 过程物理学中长期存在的挑战提供了新的解决方案。

除了解释重元素的形成机制外，研究人员的框架还探讨了一些关键的科学问题，例如中子如何在物质中移动、复杂的多物理系统如何运作以及如何探测罕见的宇宙事件。这些见解在天体物理学和国家安全等领域具有潜在的应用价值，因为了解奇异粒子和反应的行为至关重要。

在穆姆鲍尔提出的设想中，一颗大质量恒星随着核燃料耗尽而开始消亡。由于无法再抵抗自身引力，恒星中心会形成一个黑洞。如果黑洞旋转速度足够快，黑洞附近极强引力产生的参考系拖拽效应会扰乱磁场，并发射出一股强大的喷流。通过后续反应，会产生一系列光子，其中一些光子的能量很高。

喷流穿过前方恒星，在喷流周围形成一个炽热的物质茧层，“就像一列货运火车在雪地里行驶，”穆姆鲍尔说道。在喷流与恒星物质的界面处，高能光子（即光）可以与原子核相互作用，将质子转化为中子。现有的原子核也可能分解成单个核子，从而产生更多自由中子来驱动r过程。该团队的计算表明，光与物质的相互作用可以以极快的速度（大约纳秒）产生中子。

由于带电荷，质子会被强磁场困在喷流中。不带电荷的中子则被抛出喷流，进入“茧”中。经历相对论性激波后，中子的密度远高于周围的恒星物质，因此可能会发生r过程，重元素和同位素会逐渐形成，并在恒星被撕裂时被抛射到太空中。

质子转化为中子，同时自由中子逃逸到周围的“茧”中形成重元素的过程，涉及广泛的物理原理，涵盖了自然界的所有四种基本力：这是一个真正的多物理场问题，将原子物理学、核物理学、流体力学和广义相对论等领域结合起来。尽管该团队付出了巨大的努力，但由于r过程中产生的重同位素从未在地球上合成过，因此仍面临更多挑战。研究人员对它们的原子量、半衰期等性质知之甚少。

该团队提出的高能喷流框架或许有助于解释与长持续时间伽马射线暴相关的千新星（一种发出可见光和红外电磁辐射的辉光）的起源。千新星主要与两颗中子星碰撞或一颗中子星与一个黑洞的并合有关。这些强烈的碰撞是通过观测确认宇宙重元素形成工厂的一种可能方法。通过高能光子喷流导致的恒星消亡为重元素及其可能产生的千新星的产生提供了另一种起源，这种可能性此前从未被认为与坍缩恒星有关。

与此相关，科学家在深海沉积物中观察到了铁和钚。经过研究，这些沉积物被证实来自地外，尽管与产生千新星的现象一样，其具体位置或宇宙事件仍然难以捉摸。坍缩星高能喷流的假说代表了一种有趣的可能性，即这些海底重元素的来源。

为了更全面地理解所提出的框架，Mumpower 和他的团队希望在他们的模型上运行模拟，包括复杂的微物理相互作用。

编译自/ScitechDaily