重元素從何而來?新生黑洞可能是宇宙黃金工廠

作者 | 發布日期 2021 年 11 月 17 日 13:01 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


這幾年重力波事件偵測能力進步,我們已能證實金、銀、釷、鈾等重金屬來源之一是雙中子星合併。然而,又有研究指出雙中子星合併並不足以產生宇宙黃金量,表明還有其他黃金工廠存在,現在最新模擬結果表示,新生黑洞只要吸積盤條件正確,也能引發 R-過程產生黃金。

2017 年,人類首度偵測到雙中子星合併釋放之重力波事件,並證實重金屬如黃金、銀、鈾等元素從中誕生:中子星合併過程引發「快中子捕獲過程」(R-過程)以形成比鐵更重的元素,科學家估計,雙中子星碰撞事件短短 1 秒內產生 50 個地球質量的銀、100 個地球質量的黃金,以及 500 個地球質量的鉑(俗稱白金)。

2019 年,科學家更透過模擬發現 46 億年前有 2 顆中子星在太陽系附近「暴力會車」,劇烈碰撞帶來地球如今珍貴的金、鉑、鈾等重金屬。

除了雙中子星碰撞,超新星爆炸也會引發快中子捕獲過程,或說如今地球所有重元素都來自超新星爆炸或中子星碰撞,然而 2020 年時,一篇研究指出中子星碰撞結果無法解釋宇宙的黃金量,認為中子星合併並非黃金主要起源。

▲ 中子星合併。(Source:LIGO

那麼,宇宙還有什麼極端環境條件可引發快中子捕獲過程?黃金究竟來自哪?

亥姆霍茲重離子研究中心新論文表明,雙中子星合併形成之新生黑洞,或大質量恆星塌縮形成的恆星質量黑洞,只要吸積盤條件正確,也能產生快中子捕獲過程合成重元素。

團隊首次透過模擬改變黑洞質量、自旋、周圍物質質量等參數,分析吸積盤的中子和質子轉化率,發現只要決定性因素:吸積盤總質量恰到好處,盤內就含有非常豐富的微中子並得以發生快中子捕獲過程;但若吸積盤質量太高,微中子在離開圓盤前被中子重新捕獲,這些中子轉換回質子,反而會阻礙快中子捕獲過程。

模擬結果表明,最佳重元素工廠是質量為太陽質量 1%~10% 的吸積盤。團隊下一步計畫利用中子星碰撞發出的光計算黑洞吸積盤質量,等反質子與離子研究設備(Facility for Antiproton and Ion Research,FAIR)建造完成,就能以前所未有的精準度幫忙驗證這道假設。

新論文發表在《皇家天文學會月報》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)。

(首圖來源:pixabay

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