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科学家研究解开宇宙重元素来源之谜

滨海高新:www.022china.com  时间: 2017-09-22 12:25:46
    滨海高新网讯“氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖,钠镁铝硅磷……”对于大多数人而言,化学“元素周期表”肯定不陌生。然而,宇宙中除了氢和氦之外,其他重元素是如何形成的却还是一个未解之谜。 

    目前科学界普遍认为,一些重元素由氢与氦通过恒星内部核聚变反应产生。而恒星爆发成为超新星之后,又形成了另外一些重元素。然而,最近发表在《物理评论快报》上的一项新理论模型表明,微型黑洞从其内部毁灭中子星,可能也会制造出重元素,其中包括贵重的黄金。除此之外,对于重元素的来源还有一些其他推测。 

    重元素诞生于超新星爆发 

    大质量恒星核心核聚变产生了铁及其之前的重元素之后,恒星会剧烈坍缩形成超新星爆发,恒星中的铁元素在高温高压下,与自由中子、电子、质子等发生反应,产生铀之前的所有重元素。 

    目前科学界主流观点认为,在宇宙大爆炸之后的一段时期内,空间中充满了氢和氦这样最常见的轻元素,而宇宙中的一部分重元素来自于恒星内部的核聚变。 

    科学家指出,在极高的温度和压力下原子核外的电子可以摆脱原子核的束缚,使得两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起,发生原子核聚合作用,生成新的质量更重的原子核。这就是所谓的核聚变。而铁以前的重元素就都是在恒星的核心,靠核聚变产生的。 

    恒星诞生初期能量全部来源于氢聚变成氦。恒星对抗自身引力坍缩的能量来源就是聚变。当大质量的恒星上的氢燃烧完之后,会在自身引力作用下发生坍缩,这一过程会使得核心温度和压力大幅升高,然后达到发生氦聚变的条件,生成碳和氧。当氦逐渐消耗,恒星又开始坍缩,温度和压力进一步升高,碳、氧就聚变生成硅。然后同理,硅聚变生成铁,由于铁聚变产生的能量得不偿失,于是聚变的链条到铁就停止了。此时恒星最外到最里层依次是氢、氦、碳、硅、铁。 

    但恒星的演化到了这步并没有完全停止。由于恒星的高温不足以“烹调”出铁以后的元素,如铜、镍、锌、铀等。要想促使这些重元素的诞生,就需要一个更大的熔炉,即超新星爆发。 

    科学家指出,大质量恒星在产生铁核心之后,由于聚变反应的停止,核心会发生剧烈的引力坍缩,形成超新星爆发,铁元素会在极高的温度和压力下,与自由中子、自由电子、质子及其他原子核发生反应,产生出92号元素铀之前的所有重元素,并随着超新星爆发将它们扩散到宇宙空间中去。 

    中子星碰撞造就重元素 

    两颗中子星发生碰撞,一部分物质会被抛入太空,这些物质中富含中子,很多中子射向“种子核子”,这样便会形成原子量越来越大的元素。 

    虽然大多数科学家认为,从铁到铀,自然界稳定存在的重元素中有约半数是大质量恒星在生命终结阶段发生超新星爆发时生成的。但也有科学家给出了不同的可能性,他们指出,这些重元素的起源可能是一种更加狂暴而罕见的机制——密度超高的中子星之间发生的相撞。 

    中子星是恒星衰亡并发生超新星爆发之后残留的遗骸,其密度极高。直径数百公里的一颗中子星,质量可以和太阳一样甚至更高。在地球上,如果你拿着一勺中子星物质,那么这一勺子物质的重量将达到50亿吨。 

    尽管绝大部分中子星都孑然一身,但也会有两颗中子星组成双星系统,它们可以在一起相互绕转数十亿年,但是在这一过程中会逐渐相互靠近,直到有一天,这两颗中子星终于陷入毁灭性的相撞。 

    美国哈佛史密松天体物理中心的科学家艾多·贝格说,这时候两颗中子星的绝大部分物质会发生进一步坍缩,形成黑洞,而另外一部分物质会被抛入太空。这些物质中富含中子,这样便 

    会形成原子量越来越大的元素。美国加州大学伯克利分校天体物理学家丹尼尔·卡森解释说,你需要很多中子并将它们射向那些“种子核子”,才能合成那么重的元素,比如金、铅,或者铂。这就像是汽车挡泥板上不断累积的泥浆一样。 

    科学家得出这一结论,缘于一次伽马射线暴。这次伽马射线暴距离地球约39亿光年,虽然持续时间不到0.2秒,但其红外线余晖却持续数天时间。科学家将观测的结果与理论模型进行对比之后,得出结论认为这是大量重金属元素形成之后产生的放射性辉光,而这些重元素是在一次中子星的撞击事件中产生的。 

    卡森对这次碰撞做了粗略的估算,认为这次事件中约产生了相当于20倍地球质量的黄金。这一数量的黄金足以装满100万亿个油桶。而且这次撞击事件中所产生的铂金数量甚至比产生的黄金还多7倍。 

    此外,科学家还在一个矮星系——网罟座二号9个最亮的恒星中发现了7个包含许多重元素的恒星,这比任何矮星系上发现的都要多。科学家表示,这些恒星上的重元素比其他相似星系上观察到的多了近100倍。而在一个矮星系上发现这么多重元素证明了网罟座一定发生过比超新星爆发还要罕见的事件,比如中子星撞击,因为大多数超新星爆发产生的重元素也远远达不到网罟座上那些重元素的惊人数量。 

    黑洞毁灭中子星成为重元素来源 

    原生黑洞从内部消耗中子星,使中子星收缩自转变快,最终导致一些部分甩离本体,这些富含中子的分离部分,很可能就是重元素的来源。 

    还有研究人员猜测,宇宙中的重元素(如金、银、铂和铀)可能是早期宇宙诞生时在黑洞的帮助下形成的。 

    在宇宙大爆炸时,其异乎寻常的力量会把一些物质挤压得非常紧密,形成了“原生黑洞”。这种黑洞并不是由恒星坍缩而形成的。理论上,原生黑洞比普通黑洞更小,甚至小到肉眼无法看到。 

    在这项最新研究中,研究人员认为原生黑洞会与中子星发生碰撞,中子星几乎完全是由中子构成,并且非常密集,原生黑洞将沉入中子星中心区域,从其内部吞噬它们。美国加州大学洛杉矶分校理论物理学家亚历山大·库先科认为,当这种情况发生时,黑洞会从内部不断消耗掉中子星,这个过程可能会持续1万年左右。之后,中子星随着自身的收缩,自转会变得越来越快,最终导致一些小的部分被甩离本体。而这些富含中子的分离部分,很可能就是重元素的来源。 

    然而,库先科同时表示,中子星捕获黑洞的可能性非常低,这种低概率与只有少量星系富含重元素的观察结果一致。形成于宇宙早期的黑洞与中子星相撞产生重元素的理论也解释了银河系中心区域中子星数量稀少的问题。 

    据了解,今年晚些时候,库先科和同事们将与普林斯顿大学的科学家合作,对“中子星—黑洞”相互作用产生重元素的过程进行计算机模拟,并希望能通过将模拟结果与临近星系中重元素的观测结果进行比较,来判断地球上存在的金、铂和铀是否来源于早期宇宙中的黑洞。 

    相关链接 

    PANDA国际实验欲了解重元素形成过程 

    俄罗斯科学院西伯利亚分院核物理所所长帕维尔·洛加乔夫近日表示,俄科学家正与外国同事一起筹备PANDA国际实验,旨在了解重元素的形成过程。 

    实验将在欧洲的反质子与离子研究装置中进行,能让人以新的方式一窥物质粒子和反物质粒子内部。包括俄罗斯科学院西伯利亚分院核物理所和新西伯利亚国立大学的科学家在内,将有来自17个国家的450位科学家参与试验。 

    洛加乔夫表示,宇宙、星辰中重元素的形成过程至今仍是待解之谜。他指出,PANDA国际实验将是在欧洲反质子与离子研究装置中进行的4项试验中的一项。计划于2023年进行首次试验。目前正在进行该科研装备的设备开发工作。(记者姜靖)
来源:科技日报 责任编辑:小兮
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