重金屬元素起源何處?科學家首鑑定出雙中子星合併後產生的重元素

作者 | 發布日期 2019 年 10 月 24 日 14:15 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


2 年前,人類第一次發現雙中子星併合事件,天文學家懷疑宇宙重金屬元素應該會形成自其中的千新星爆炸過程。現在,天文學家正式從中找到了新鮮熱騰騰的重元素「鍶」(常見添加於煙火中),再度佐證重元素如謎般的起源之一為雙中子星合併。

2017 年 8 月 17 日,人類首度偵測到由雙中子星合併產生之重力波,該事件命名為「GW170817」,發生地點位於離地球 1.3 億光年的 NGC 4993 星系中,同時也證實元素週期表中重金屬(如金、鉑)的來源之一,就是雙中子星併合過程。

我們知道一顆大質量恆星在走到生命最後會經歷超新星爆炸(supernova)階段,將大部分物質向外噴射,最後只留下冷卻的核心漂浮在宇宙中;而兩顆中子星併合時除了引起重力波外,也會經歷類似的爆炸過程,稱為千新星(kilonova)。物理學理論過去長期懷疑,宇宙中大約有一半重元素是經由「快中子捕獲過程」形成,而 2017 年的雙中子星併合事件,證實了快中子捕獲過程會出現在千新星爆炸過程中。

GW170817 事件發生後,ESO 甚大望遠鏡(VLT)的 X-shooter 儀器就拍攝了從紫外線到近紅外光的各種光譜,當年對這些光譜的初步分析表明,千新星事件確實創造出新的重元素,但直到現在,天​​文學家才終於鑑定出其中一個重元素的身分:原子序數 38 的鍶(Strontium,化學符號 Sr)。

在地球上,鍶自然存在於土壤中和某些礦物質中,常見添加於煙火使火花呈現鮮豔紅色。

為什麼鑑定一個元素要花這麼長的時間?這是因為元素原子結構複雜,可以生成數百萬種尚未被完全識別的光譜特徵,研究人員很難迅速抓出單種元素的光譜特徵,而鍶的原子結構在重元素中算是相對簡單,會在藍光和紅外光波段產生 2 條明顯的吸收譜線(元素會吸收特定波長的光)。

此外,新研究主要作者 Darach Watson 表示,產生重元素鍶的背後關鍵還可能與「幽靈粒子」微中子有關,為了創造出像鍶這樣較輕的重元素,首先必須先交由微中子轟炸中子,好讓後者能更快分解成質子和電子。

雖然目前科學家還很難從中子星碰撞事件中檢測到其他重元素(重元素太複雜,我們對重元素原子結構的質量相關數據還很少),但隨著逐漸深入研究中子星內部,將幫助科學家釐清越來越多物理難題。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:ESO)

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