我們的宇宙中是如何產(chǎn)生化學(xué)元素的?金和鈾等重元素從何而來?使用計算機(jī)模擬，來自達(dá)姆施塔特 GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 的一個研究小組與來自比利時和的同事一起表明，重元素的合成對于某些具有軌道物質(zhì)積累的黑洞(所謂的吸積盤)來說是典型的。有形成元素的預(yù)測豐度有助于深入了解未來實驗室需要研究哪些重元素——例如目前正在建設(shè)的反質(zhì)子和離子研究設(shè)施 (FAIR)——以解開重元素的起源。結(jié)果發(fā)表在《皇家天文學(xué)會月刊》雜志上。
今天地球上的所有重元素都是在天體物理環(huán)境的極端條件下形成的：在恒星內(nèi)部、恒星爆炸和中子星碰撞過程中。研究人員對以下問題很感興趣：在這些天體物理事件中，存在形成金或鈾等最重元素的適當(dāng)條件。2017 年對中子星合并產(chǎn)生的引力波和電磁輻射的首次觀測表明，在這些宇宙碰撞中可以產(chǎn)生和釋放許多重元素。然而，關(guān)于材料何時以及為何被排出，以及是否可能存在其他可以產(chǎn)生重元素的情況，問題仍然存在。
產(chǎn)生重元素的有希望的候選者是由致密熱物質(zhì)吸積盤環(huán)繞的黑洞。這樣的系統(tǒng)既是在兩顆大質(zhì)量中子星合并之后形成的，也是在所謂的坍縮體(即旋轉(zhuǎn)星的坍縮和隨后的爆炸)期間形成的。迄今為止，這種吸積盤的內(nèi)部組成還沒有得到很好的理解，特別是關(guān)于形成過量中子的條件。大量中子是合成重元素的基本要求，因為它能夠?qū)崿F(xiàn)快速中子俘獲過程或 r 過程。幾乎無質(zhì)量的中微子在這個過程中起著關(guān)鍵作用，因為它們能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)子和中子之間的轉(zhuǎn)換。
“在我們的研究中，我們首次通過精細(xì)的計算機(jī)模擬系統(tǒng)地研究了大量圓盤配置的中子和質(zhì)子的轉(zhuǎn)化率，我們發(fā)現(xiàn)只要滿足特定條件，這些圓盤就含有非常豐富的中子。 GSI 理論研究部門相對論天體物理學(xué)小組的 Oliver Just 博士解釋說。“決定性因素是磁盤的總質(zhì)量。圓盤的質(zhì)量越大，中子在中微子發(fā)射下通過捕獲電子形成的中子就越頻繁，并且可用于通過 r 過程合成重元素。然而，如果圓盤的質(zhì)量太高，逆反應(yīng)會起到更大的作用，因此更多的中微子在離開圓盤之前被中子重新捕獲。然后這些中子被轉(zhuǎn)換回質(zhì)子，這阻礙了 r 過程。”正如研究表明的那樣，大量生產(chǎn)重元素的最佳圓盤質(zhì)量約為 0.01 到 0.1 個太陽質(zhì)量。結(jié)果提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，表明產(chǎn)生具有這些精確質(zhì)量的吸積盤的中子星合并可能是大部分重元素的起源點。然而，目前尚不清楚這種吸積盤在坍縮星系統(tǒng)中是否出現(xiàn)以及出現(xiàn)的頻率。
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