根據(jù)公認的宇宙學模型，氫和氦是宇宙最早期的僅有元素。這些元素聚集在一起形成了早期的恒星和星系，通過核聚變產生了更重的元素如碳、硅、鐵。這些又反過來在重力坍縮和超新星大爆炸時被散落宇宙各處。這個過程就叫做恒星核合成，也就是形成行星和生命的這些元素產生的過程。

然而元素周期表末端那些超重元素的起源之謎，至今仍是懸而未決的物理學難題。這些被稱為超鈾元素的特殊物質，包括釷、鈾、钚等元素，其形成過程需要極端天體環(huán)境作為“鍛造熔爐”。由洛斯阿拉莫斯國家實驗室天體物理團隊領銜的國際研究組，正通過多信使天文觀測與核物理模擬，試圖破解這類元素在宇宙中的生成機制。

據(jù)洛斯阿拉莫斯國家實驗室3月25日發(fā)布的恒星消融研究報告披露，該團隊通過數(shù)值模擬揭示：在雙致密天體并合過程中，噴流核心區(qū)產生的伽馬射線暴可將伴星外層物質剝離并轉化為自由中子，這種極端中子通量環(huán)境為快中子俘獲過程（r-process）提供了臨界條件，最終導致宇宙中比鐵更重的元素核合成。

該研究由洛斯阿拉莫斯國家實驗室理論部、理論天體物理中心與阿貢國家實驗室物理部聯(lián)合開展，其標志性成果《中子創(chuàng)生記：高能光子通量驅動強子光致產生》已發(fā)表于《天體物理學雜志》（DOI:10.3847/1538-4357/adb1e3，2025年3月25日）。研究團隊明確指出，元素周期表末端超重核素（如超鈾元素）的起源機制，本質上取決于極端天體環(huán)境中發(fā)生的中子俘獲過程（r過程）——這一發(fā)現(xiàn)破缺了傳統(tǒng)核合成理論中關于元素豐度分布的認知邊界。

本文描述了一種涉及原子核吸收自由中子并釋放一定量伽馬射線光子的核反應過程。然而，自由中子的半衰期很短，只有15分鐘，這使其較為稀有，也限制了重元素的形成。洛斯阿拉莫斯國家實驗室研究員、論文第一作者馬修·R·蒙帕爾在該實驗室的新聞稿中解釋道："鈾、钚等重元素的形成需要極端的物理條件。宇宙中僅存少數(shù)罕見且特殊的場所具備這些條件，而所有的這些地方都需要大量中子。我們提出了一種新現(xiàn)象——這些中子并非預先存在，而是在恒星中動態(tài)產生。"

蒙帕爾及其同事提出了一種假設場景：當質量足夠大的恒星發(fā)生引力坍縮時，其中心會形成一個黑洞。如果黑洞旋轉速度足夠快，參考系拖拽效應會使磁場加速旋轉，從而產生強大的噴流。這種噴流會穿過恒星的外層包膜，形成一個由熱物質和與原子核相互作用的高能光子組成的繭狀物。與此同時，質子被強磁場捕獲在噴流內部，而中子被輸運至繭狀結構中。

相關知識

黑洞（英語：black hole）是一種類星體，就像一個理想的黑體，它不反光[6][7]，且有著極大的引力，以致形成所有的粒子與光等電磁輻射都不能逃逸的區(qū)域[8]。

廣義相對論預測，足夠緊密的質量可以扭曲時空形成黑洞[9][10]；不可能從該區(qū)域逃離的邊界稱為事件視界。雖然事件視界對穿越它的物體的命運和情況有巨大影響，但對該地區(qū)的觀測似乎未能探測到任何特征[11]。此外，彎曲時空中的量子場論預測，事件視界發(fā)出的霍金輻射，如同黑體的光譜一樣，可以用來測量與質量反比的溫度。恒星質量的黑洞，溫度往往在數(shù)十億分之一K，因此基本上無法觀測到。

最早在18世紀，約翰·米歇爾和皮耶-西蒙·拉普拉斯就考慮過引力場強大到光線都無法逃逸的物體[12]。1916年，卡爾·史瓦西發(fā)現(xiàn)了第一個能用來表征黑洞的廣義相對論精確解（也就是史瓦西黑洞），然而大衛(wèi)·芬克爾斯坦（英語：David Finkelstein）在1958年才首次發(fā)表史瓦西解做為一個無法逃脫空間區(qū)域的解釋。長期以來，黑洞一直被認為僅僅來自數(shù)學上的好奇。在20世紀60年代，理論工作顯示這是廣義相對論的一般預測。約瑟琳·貝爾·伯奈爾在1967年發(fā)現(xiàn)中子星，激發(fā)了人們引力坍縮形成的致密天體可能是天體物理中的實體的興趣。

BY：Matthew Williams

FY：Astronomical volunteer team

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