重元素如何產生？坍陷吸積盤或是最重元素的主要來源！

2020-10-18 博科園

哥倫比亞大學三位研究人員提出，坍陷吸積盤可能是最重元素的主要來源。Daniel Siegel, Jennifer Barnes和Brian Metzger於2019年5月8日他們發表在《自然》上的論文中描述了他們對中子星坍縮成黑洞時形成的吸積盤研究，以及他們的發現。太空科學家認為最輕的元素氦、氫和鋰是在宇宙大爆炸之後產生的，還認為鐵等較重的元素是在恆星的中心形成。但是像鈾和金這樣的重元素仍然是個謎——直到現在，還沒有一個合理解釋來解釋它們的起源。

在這項新研究中，研究人員提出，這些元素是在中子星坍縮成黑洞時形成的吸積盤中產生。先前的研究表明，最重的元素是由所謂的「r過程」產生，在這個過程中，鏈式反應導致原子核吸收中子。天體物理學家從理論上推斷，兩顆中子星相撞可能會讓位於發生r過程所需的條件，從而產生一些最重的元素。兩年前，觀測到第一波引力波的團隊報告了兩顆中子星相撞的影響。隨後對該事件的研究表明，很可能發生了r過程，這一理論得到了強有力的支持。

但還有一個問題。中子星的碰撞是一個罕見的事件——太罕見了，以至於無法解釋現今存在最重元素的數量。這使得研究人員開始考慮其他中子星的活動，比如它們的引力坍縮。先前的研究表明，中子星死亡時，會坍縮成黑洞。但並不是所有的物質都落入黑洞；有些被留下，形成吸積盤。研究人員創建的計算機模擬顯示，吸積盤的條件已經成熟，可以進行r-反應，從而產生最重的元素。研究小組認為，這些元素中大約80%來自吸積盤，其餘元素是中子星碰撞時產生的。

中子快速俘獲法(r-process)在中子星合併過程中產生元素在理論上是可以預期的，並且得到了引力波事件GW170817多體觀測的支持：這種產生路線理論上足以解釋宇宙中大部分重元素。對伴隨GW170817而來的kilonova分析表明，在新誕生黑洞周圍形成的殘餘吸積盤中，有延遲的物質流出，這是那次事件所產生重元素主要來源。類似的吸積盤預計將在坍縮(由快速旋轉的大質量恆星引發的超新星引發的坍縮)中形成，此前曾有人推測，這種坍縮會產生重元素。

在矮星系網II14中觀察到富含這類元素的恆星，以及在較長時間跨度內銪相對於鐵的星系化學富集，與發生在恆星金屬度較低的稀有超新星現象相比，與發生在中子星合併上的現象更為一致。研究模擬表明，坍陷性吸積盤產生足夠的r過程元素，以解釋觀測到的宇宙豐度。雖然這些超新星比中子星合併更罕見，但每次事件所噴射出的物質越多，其發生率就越低。新研究計算出，坍縮可能提供了宇宙中超過80%的r過程。

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參考期刊文獻:《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1136-0

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