中子星碰撞是重元素的「金矿」
FUTURE远见| 2021-11-15
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在过去的 25 亿年中，两颗中子星之间的合并比中子星和黑洞之间的合并产生了更多的重元素。
新的研究表明，双中子星可能是我们今天看到的金、铂和其他重金属的在宇宙中的来源。
大多数比铁轻的元素是在恒星的核心中锻造的。一颗恒星的白热中心为质子的融合提供燃料，将它们挤压在一起以形成越来越重的元素。但除了铁之外，科学家们还对到底是什么过程产生金、铂和宇宙中其他的重元素感到困惑，因为一颗恒星不能提供这些重元素的形成需的能量。
麻省理工学院和新罕布什尔大学的研究人员进行的一项新研究发现，在两个长期被怀疑的重金属来源中，一个比另一个更像是金矿。
近日发表在《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）上的这项研究报告说，在过去的 25 亿年里，双中子星合并或两颗中子星之间的碰撞产生的重金属比中子星和黑洞之间的合并多。
该研究首次在重金属合成方面比较了两种合并类型，并表明双中子星可能是我们今天看到的宇宙中的金、铂和其他重金属的来源。这些发现还可以帮助科学家确定整个宇宙中重金属的产生速度。
「我们对我们的结果感到兴奋的是，在一定程度上，我们可以说双中子星可能比中子星-黑洞合并更像是一个金矿，」主要作者，麻省理工学院的博士后 Hsin-Yu Chen 说。
Chen 的合著者是麻省理工学院物理学助理教授 Salvatore Vitale 和 UNH 的 Francois Foucart。
一道闪光
当恒星经历核聚变时，它们需要能量来融合质子以形成更重的元素。恒星可以有效地制造出从氢到铁的较轻元素。然而，融合超过 26 个质子在能量上变得低效。
「如果你想超越铁并制造更重的元素，如金和铂，你需要一些其他的方法来将质子堆积在一起，」Vitale 说。
科学家们怀疑超新星可能是一个答案。当一颗大质量恒星坍缩成一颗超新星时，其中心的铁可能会与极端辐射中的较轻元素结合，产生较重的元素。
然而，在 2017 年，美国和意大利的引力波天文台 LIGO 和 Virgo 首次以双中子星合并的形式确认了另一个有希望的候选者。探测器接收到来自地球 1.3 亿光年外的引力波或时空涟漪，产生于两颗中子星之间的碰撞——大质量恒星坍缩的核心，充满中子，是宇宙中密度最大的天体之一。
双星合并发出一道闪光，其中包含重金属的特征。
「合并产生的黄金数量相当于地球质量的几倍，」Chen 说。「这完全改变了之前的猜测。数学表明，与超新星相比，双中子星是一种更有效的产生重元素的方式。」
双中子星金矿
Chen 和她的同事想知道：中子星合并与中子星和黑洞之间的碰撞相比如何？这是 LIGO 和 Virgo 检测到的另一种合并类型，也可能是重金属工厂。科学家们怀疑，在某些条件下，黑洞可能会破坏中子星，使其在黑洞完全吞噬恒星之前会产生火花并喷出重金属。
该团队着手确定每种类型的合并可以产生的黄金和其他重金属的数量。在他们的分析中，他们专注于 LIGO 和 Virgo 迄今为止对两个双中子星合并和两个中子星-黑洞合并的检测。
研究人员首先估计了每次合并中每个物体的质量，以及每个黑洞的旋转速度，推断如果一个黑洞太大或太慢，它会在有机会产生重金属的之前吞下一颗中子星。他们还确定了每颗中子星对被干扰的抵抗力。恒星的抵抗力越强，产生重元素的可能性就越小。他们还根据 LIGO、Virgo 和其他天文台的观测结果估计了一种合并与另一种合并发生的频率。
最后，该团队使用 Foucart 开发的数值模拟来计算每次合并将产生的黄金和其他重金属的平均数量，考虑到物体质量、旋转、破坏程度和发生率的不同组合。
研究人员发现，平均而言，双中子星合并产生的重金属是中子星和黑洞合并产生的重金属的 2 到 100 倍。据估计，他们分析所依据的四次合并发生在过去 25 亿年之内。然后他们得出结论，至少在此期间，双中子星合并产生的重元素比中子星与黑洞碰撞产生的重元素多。
如果黑洞具有高自旋和低质量，则天平可能会倾向于中子星-黑洞合并。然而，科学家们尚未在迄今为止检测到的两次合并中观察到此类黑洞。
Chen和她的同事希望，随着 LIGO 和 Virgo 明年恢复观测，更多的探测将提高团队对每次合并产生重元素的速率估计。反过来，这些速率可以帮助科学家根据各种元素的丰度来确定遥远星系的年龄。
「你可以像使用碳来确定恐龙遗骸的年代一样使用重金属，」维塔莱说。「因为所有这些现象都有不同的内在速率和重元素产量，这将影响你如何将时间戳附加到星系。因此，这种研究可以改进这些分析。」
作者：Jennifer Chu 麻省理工学院新闻办公室
原文链接：
https://news.mit.edu/2021/neutron-star-collisions-goldmine-heavy-elements-1025
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