宇宙点金之法大揭秘！

一颗高度磁化的中子星的外壳发生破裂（如该艺术想象图所示）可能会引发高能爆发。图片来源：NASA戈达德太空飞行中心/斯蒂芬·威斯辛格（S. Wiessinger）

科学家们终于找到了有关宇宙如何合成最重的那些元素的直接证据，而这一过程在这半个多世纪以来一直是个未解之谜。

纽约市法尔廷里研究所的一支研究团队经过计算得出，磁星（一种被称为中子星的具有极高磁场的坍缩星）所释放的巨大耀斑，可能是人们一直寻找的、能生成宇宙中重元素的“宇宙熔炉”。仅一个这样的巨大耀斑就能产生相当于一颗行星数量的黄金、铂金和铀。

哥伦比亚大学的博士生，同时也是这项研究的主要作者阿尼鲁德·帕特尔（Anirudh Patel）在一份声明中表示：“我们身边的一些重元素，比如我们手机和电脑里的贵金属，都是在这些极端的环境中产生的，简直令人难以置信。‘磁星’的巨大耀斑或许能解释为何在年轻星系中观测到的重元素数量，会远远超过仅由中子星碰撞所能产生的数量。”

较轻的元素如氢、氦和锂等是在宇宙大爆炸中形成的，而较重的元素则是通过恒星核心内的核聚变过程在恒星的生命周期中形成的——或者是在它们剧烈爆炸后的残骸中形成的。但比铁更重（即原子序数更高）且中子含量丰富的元素的形成过程一直是一个未解之谜。

这些元素被认为是由一系列被称为“快速中子俘获过程”（即r 过程）的核反应所形成的。长期以来，人们一直认为这种过程仅会在极端条件下（如超新星爆发或中子星合并时）发生。2017 年，天文学家首次通过观测到的两个中子星合并事件确认了这一过程的存在。

然而，这类碰撞发生的频率极低，而宇宙中的重元素又十分丰富，不可能仅靠这类碰撞产生。况且中子星合并发生在宇宙历史的较晚阶段，无法解释最早期的金元素及其他重元素的形成。而极端中子星耀斑则要古老得多，它们同样能够形成这些元素。“这些巨大耀斑的有趣之处在于，它们可以在星系历史的远古时代就发生，”帕特尔补充道。

为了研究这些过程，纽约市的科学家们将目光投向了磁星，其磁场强度比地球磁场强数万亿倍。这些恒星偶尔会爆发“耀斑”，这是由磁场能量突然释放而产生的能量爆发，通常是由其磁场的重新排列或衰减所引发的。

该团队计算得出，磁星的巨大耀斑能够创造形成 r 过程元素的适宜条件，从而产生极不稳定的放射性原子核，这些原子核衰变后会形成诸如金之类的稳定重元素。

令人兴奋的是，纽约市的研究团队能够将他们的计算结果与 2004 年对磁星 SGR 1806 - 20 发出的一道明亮闪光的神秘观测联系起来。起初，这一事件似乎并无特别之处——直到研究人员意识到这次耀斑的总能量大约是普通爆发的 1000 倍。

“这一事件多年来几乎被人遗忘了，”纽约大学计算物理学中心兼哥伦比亚大学教授布莱恩·梅茨格（Brian Metzger）说道，“但我们很快意识到，我们的模型和它非常匹配。”

帕特尔在一份美国国家航空航天局的声明中说道：“接下来的一两周里，我脑子里想的全都是这件事，别的什么都没了。”

通过将对 SGR 1806-20 在 2004 年爆发的观测结果与他们的模型相结合，梅茨格、帕特尔及其同事估计，该事件很可能产生了约 2000 万亿亿（你没看错，就是这么大的数字）千克的重元素——大约相当于火星的质量或者 27 个月球的总质量！即便如此，这种耀斑仅仅能够解释我们银河系中10%的重元素来源，其余 90%的重元素的起源仍不清楚。

梅茨格说：“我们不能排除存在其他耀斑的可能，只是我们目前尚未发现而已。”

为了进一步验证他们的发现，该团队计划利用美国NASA的康普顿光谱仪和成像任务来寻找更多的磁星爆发现象。这一任务预计将于 2027 年发射，有望揭示更多有关宇宙中金元素及其他重元素起源的秘密。

“就宇宙复杂物质的起源而言，重元素的起源是一个相当基本的问题。”帕特尔说道， “这是一个有趣但尚未得到解决的难题。”

图片来源NASA

来源：牧夫天文

编辑：Decoherence

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