一顆高度磁化的中子星的外殼發生破裂（如該藝術想象圖所示）可能會引發高能爆發。圖片來源：NASA戈達德太空飛行中心/斯蒂芬·威斯辛格（S. Wiessinger）

科學家們終于找到了有關宇宙如何合成最重的那些元素的直接證據，而這一過程在這半個多世紀以來一直是個未解之謎。

紐約市法爾廷里研究所的一支研究團隊經過計算得出，磁星（一種被稱為中子星的具有極高磁場的坍縮星）所釋放的巨大耀斑，可能是人們一直尋找的、能生成宇宙中重元素的“宇宙熔爐”。僅一個這樣的巨大耀斑就能產生相當于一顆行星數量的黃金、鉑金和鈾。

哥倫比亞大學的博士生，同時也是這項研究的主要作者阿尼魯德·帕特爾（Anirudh Patel）在一份聲明中表示：“我們身邊的一些重元素，比如我們手機和電腦里的貴金屬，都是在這些極端的環境中產生的，簡直令人難以置信。‘磁星’的巨大耀斑或許能解釋為何在年輕星系中觀測到的重元素數量，會遠遠超過僅由中子星碰撞所能產生的數量。”

較輕的元素如氫、氦和鋰等是在宇宙大爆炸中形成的，而較重的元素則是通過恒星核心內的核聚變過程在恒星的生命周期中形成的——或者是在它們劇烈爆炸后的殘骸中形成的。但比鐵更重（即原子序數更高）且中子含量豐富的元素的形成過程一直是一個未解之謎。

這些元素被認為是由一系列被稱為“快速中子俘獲過程”（即r 過程）的核反應所形成的。長期以來，人們一直認為這種過程僅會在極端條件下（如超新星爆發或中子星合并時）發生。2017 年，天文學家首次通過觀測到的兩個中子星合并事件確認了這一過程的存在。

然而，這類碰撞發生的頻率極低，而宇宙中的重元素又十分豐富，不可能僅靠這類碰撞產生。況且中子星合并發生在宇宙歷史的較晚階段，無法解釋最早期的金元素及其他重元素的形成。而極端中子星耀斑則要古老得多，它們同樣能夠形成這些元素。“這些巨大耀斑的有趣之處在于，它們可以在星系歷史的遠古時代就發生，”帕特爾補充道。

為了研究這些過程，紐約市的科學家們將目光投向了磁星，其磁場強度比地球磁場強數萬億倍。這些恒星偶爾會爆發“耀斑”，這是由磁場能量突然釋放而產生的能量爆發，通常是由其磁場的重新排列或衰減所引發的。

該團隊計算得出，磁星的巨大耀斑能夠創造形成 r 過程元素的適宜條件，從而產生極不穩定的放射性原子核，這些原子核衰變后會形成諸如金之類的穩定重元素。

令人興奮的是，紐約市的研究團隊能夠將他們的計算結果與 2004 年對磁星 SGR 1806 - 20 發出的一道明亮閃光的神秘觀測聯系起來。起初，這一事件似乎并無特別之處——直到研究人員意識到這次耀斑的總能量大約是普通爆發的 1000 倍。

“這一事件多年來幾乎被人遺忘了，”紐約大學計算物理學中心兼哥倫比亞大學教授布萊恩·梅茨格（Brian Metzger）說道，“但我們很快意識到，我們的模型和它非常匹配。”

帕特爾在一份美國國家航空航天局的聲明中說道：“接下來的一兩周里，我腦子里想的全都是這件事，別的什么都沒了。”

通過將對 SGR 1806-20 在 2004 年爆發的觀測結果與他們的模型相結合，梅茨格、帕特爾及其同事估計，該事件很可能產生了約 2000 萬億億（你沒看錯，就是這么大的數字）千克的重元素——大約相當于火星的質量或者 27 個月球的總質量！即便如此，這種耀斑僅僅能夠解釋我們銀河系中10%的重元素來源，其余 90%的重元素的起源仍不清楚。

梅茨格說：“我們不能排除存在其他耀斑的可能，只是我們目前尚未發現而已。”

為了進一步驗證他們的發現，該團隊計劃利用美國NASA的康普頓光譜儀和成像任務來尋找更多的磁星爆發現象。這一任務預計將于 2027 年發射，有望揭示更多有關宇宙中金元素及其他重元素起源的秘密。

“就宇宙復雜物質的起源而言，重元素的起源是一個相當基本的問題。”帕特爾說道， “這是一個有趣但尚未得到解決的難題。”

圖片來源NASA

來源：牧夫天文

編輯：Decoherence

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