科学家对宇宙元素合成的新见解

我们的宇宙中是如何产生化学元素的?金和铀等重元素从何而来?使用计算机模拟，来自达姆施塔特 GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 的一个研究小组与来自比利时和的同事一起表明，重元素的合成对于某些具有轨道物质积累的黑洞(所谓的吸积盘)来说是典型的。有形成元素的预测丰度有助于深入了解未来实验室需要研究哪些重元素——例如目前正在建设的反质子和离子研究设施 (FAIR)——以解开重元素的起源。结果发表在《皇家天文学会月刊》杂志上。

今天地球上的所有重元素都是在天体物理环境的极端条件下形成的：在恒星内部、恒星爆炸和中子星碰撞过程中。研究人员对以下问题很感兴趣：在这些天体物理事件中，存在形成金或铀等最重元素的适当条件。2017 年对中子星合并产生的引力波和电磁辐射的首次观测表明，在这些宇宙碰撞中可以产生和释放许多重元素。然而，关于材料何时以及为何被排出，以及是否可能存在其他可以产生重元素的情况，问题仍然存在。

产生重元素的有希望的候选者是由致密热物质吸积盘环绕的黑洞。这样的系统既是在两颗大质量中子星合并之后形成的，也是在所谓的坍缩体(即旋转星的坍缩和随后的爆炸)期间形成的。迄今为止，这种吸积盘的内部组成还没有得到很好的理解，特别是关于形成过量中子的条件。大量中子是合成重元素的基本要求，因为它能够实现快速中子俘获过程或 r 过程。几乎无质量的中微子在这个过程中起着关键作用，因为它们能够实现质子和中子之间的转换。

“在我们的研究中，我们首次通过精细的计算机模拟系统地研究了大量圆盘配置的中子和质子的转化率，我们发现只要满足特定条件，这些圆盘就含有非常丰富的中子。 GSI 理论研究部门相对论天体物理学小组的 Oliver Just 博士解释说。“决定性因素是磁盘的总质量。圆盘的质量越大，中子在中微子发射下通过捕获电子形成的中子就越频繁，并且可用于通过 r 过程合成重元素。然而，如果圆盘的质量太高，逆反应会起到更大的作用，因此更多的中微子在离开圆盘之前被中子重新捕获。然后这些中子被转换回质子，这阻碍了 r 过程。”正如研究表明的那样，大量生产重元素的最佳圆盘质量约为 0.01 到 0.1 个太阳质量。结果提供了强有力的证据，表明产生具有这些精确质量的吸积盘的中子星合并可能是大部分重元素的起源点。然而，目前尚不清楚这种吸积盘在坍缩星系统中是否出现以及出现的频率。

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