重金属元素起源何处?科学家首鉴定出双中子星整合后产生的重元素

2年前,人类第一次发现双中子星并合事件,天文学家怀疑宇宙重金属元素应该会形成自其中的千新星爆炸过程。现在,天文学家正式从中找到了新鲜热腾腾的重元素“锶”(常见添加于烟火中),再度佐证重元素如谜般的起源之一为双中子星整合。

2017年8月17日,人类首度侦测到由双中子星整合产生之重力波,该事件命名为“GW170817”,发生地点位于离地球1.3亿光年的NGC 4993星系中,同时也证实元素周期表中重金属(如金、铂)的来源之一,就是双中子星并合过程。

我们知道一颗大质量恒星在走到生命最后会经历超新星爆炸(supernova)阶段,将大部分物质向外喷射,最后只留下冷却的核心漂浮在宇宙中;而两颗中子星并合时除了引起重力波外,也会经历类似的爆炸过程,称为千新星(kilonova)。物理学理论过去长期怀疑,宇宙中大约有一半重元素是经由“快中子捕获过程”形成,而2017年的双中子星并合事件,证实了快中子捕获过程会出现在千新星爆炸过程中。

GW170817事件发生后,ESO甚大望远镜(VLT)的X-shooter仪器就拍摄了从紫外线到近红外光的各种光谱,当年对这些光谱的初步分析表明,千新星事件确实创造出新的重元素,但直到现在,天​​文学家才终于鉴定出其中一个重元素的身份:原子序数38的锶(Strontium,化学符号Sr)。

当地球上,锶自然存在于土壤中和某些矿物质中,常见添加于烟火使火花呈现鲜艳红色。

为什么鉴定一个元素要花这么长的时间?这是因为元素原子结构复杂,可以生成数百万种尚未被完全识别的光谱特征,研究人员很难迅速抓出单种元素的光谱特征,而锶的原子结构在重元素中算是相对简单,会在蓝光和红外光波段产生2条明显的吸收谱线(元素会吸收特定波长的光)。

此外,新研究主要作者Darach Watson表示,产生重元素锶的背后关键还可能与“幽灵粒子”微中子有关,为了创造出像锶这样较轻的重元素,首先必须先交由微中子轰炸中子,好让后者能更快分解成质子和电子。

虽然目前科学家还很难从中子星碰撞事件中检测到其他重元素(重元素太复杂,我们对重元素原子结构的质量相关数据还很少),但随着逐渐深入研究中子星内部,将帮助科学家厘清越来越多物理难题。

新论文发布在《自然》(Nature)期刊。

(首图来源:ESO)