我們的宇宙中是如何產(chǎn)生化學元素的?金和鈾等重元素從何而來?使用計算機模擬，來自達姆施塔特 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，我們首次通過精細的計算機模擬系統(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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