中子星并合到底意味著什麼?一次可以甩出重達13個地球質量的黃金

天空之城 2022/09/19 檢舉 我要評論

黃金哪里來?

黃金,從古代開始便作為一般等價物進行資源交換的重要金屬。

不管是金屬制造還是經濟需求,黃金在今天仍然是十分 重要的金屬

自然界中的黃金

不過地球的黃金是有限的,更多的資源在太空里。

當我們在了解黃金的同時,不知有多少人想過 黃金到底是怎麼來的?

或者說它的真正出處在哪里,這種昂貴的貴金屬在今天為何仍然不常見?

如今科學家通過多年的研究,終于找到了黃金誕生的地點, 中子星

最初科學家對 中子星合并時產生的引力波進行研究,但是這份研究后來延伸至對宇宙重金屬元素的起源思考。

藝術創作下的中子星合并

引力波作為廣義相對論的一項結果,但在太空中,只有類似黑洞、中子星這樣的天體才能夠制造出來。

因為它們的密度足夠大,所產生的引力甚至可以扭曲空間。

科學家預測, 中子星作為恒星結束時特殊天體, 當兩顆中子星發生碰撞時,它們會在元素周期表中產生比鎳和鐵更重的元素,并在它們向內盤旋的時候發出引力波。

這種時空漣漪帶來的結果便是中子星合并,中子星的碰撞將為這些重型元素提供產生的環境, 例如鉑、鈾和黃金等

為了查明這一具體現象和對理論的認證,科學家利用激光干涉引力波天文台,以及意大利的處女座干涉儀進行聯合觀察。

這樣的搜索最終將科學家帶向了距離地球1.3億光年外的 九頭蛇星座的橢圓星系NGC4993中。

引力波源則被命名為 GW170817,命名格式主要依據日期進行命名。

英國萊斯特大學的科學家解釋道,中子星碰撞將產生高放射性火球。

理論上講,中子星在劇烈的碰撞過程中, 亞原子粒子的較重元素會被粉碎然后融合在一起

相關研究人員利用光譜儀看到了中子星紅外光所揭示出來的 重元素光譜,這里面有大量的物質被釋放出來。

作為研究宇宙重物質和地球物質起源的一部分,這無疑是一個重要發現。

科學家們觀察到的GW170817

科學家還指出,兩顆中子星碰撞帶來的重元素雖然僅是這一過程的微小部分,但其中的黃金和鉑金的質量就相當于地球質量的10倍。

僅是中子星碰撞帶來的 純固體貴金屬就超過了 100個地球質量,事實證明中子星在制造重元素方面十分優秀。

一旦這些元素出現在附近,它們就會 隨著小行星合并,例如地球這樣的天體應該就是在碰撞中聚集到如此多的重元素, 由此帶來了大量的黃金

科學家觀察記錄到的光學曲線

「炮仗」一響,黃金萬兩

在宇宙中, 恒星要想成為中子星并不容易,任何星系的主序星初始質量至少得是太陽質量的8倍才有可能產生中子星。

隨著恒星逐漸遠離主序帶,內核的燃燒會產生富含鐵的核心。

當恒星內部的所有可以支持核聚變的材料耗盡時,恒星內部就必須依賴 簡并壓力支撐自己。

錢德拉塞卡極限表現曲線

一旦這種堆積帶來的壓力超過 錢德拉塞卡極限,電子簡并壓力被克服,核心進一步坍塌,此時的溫度會異常高。

在此條件下,恒星內部的鐵核被高能伽馬射線分解成 α粒子

隨著溫度的升高,電子和質子通過電子捕獲形成中子,并 釋放出大量的中微子

中微子事件可以具象化

當內部密度達到4×1017 kg/m3時, 排斥力和種子簡并壓力的結合會使恒星停止收縮,恒星外層被中子產生的中微子流阻止并向外拋射,最終成為超新星或者中子星。

中子星作為一種 十分特殊的天體,它的質量和溫度都高得令人意外。

不過隨著時間的推移,中子星的內部溫度會逐漸降低。

中子星的自轉速度會以每秒數百次進行運動,部分中子星還會發出 電磁輻射,使其成為脈沖星。

過去科學家們認為超新星爆炸可能是宇宙中重元素由來的重要原因。

重元素比起其他較輕的元素在宇宙的星系中更少,越重的元素越明顯。

這是由于恒星很難制造它們,恒星除了維持自身的能量和運轉,避免在自身重量的影響下坍塌。

恒星內部的核聚變會在反應之初融合出氫和氦,后來經過元素轉化成為碳和氧。

但是這些反應的能量 最多只能到達鐵這樣的地步,再往上就沒辦法了, 因為制造更重的元素需要更多的能量。

但在超新星爆炸中,科學家認為它所釋放的能量足以產生更重的元素。

不同天體表現出的效果各不相同

因此在 上世紀50年代,科學家們認為 慢中子捕獲過程,也就是 s過程可能是重元素產生的由來。

但很快科學家發現, s過程不能解釋黃金、銀、鉑以及更重的金屬來源

要想讓它們很好地出現,就必須是在 快速流動的中子轟擊鐵核時合成而來

快速中子捕獲過程也被稱作 r過程,它負責產生大約一半比鐵更重的原子核,也就是重元素。

r過程中的核物理

不過在那個時候要想研究r過程十分困難,首先是實驗條件根本達不到,再者也沒人真正觀察到r過程的出現。

因為就實驗機制來講,參與s過程的同位素具有足夠長的半衰期,可以在實驗室中進行研究。

另外s過程主要發生在普通恒星中,這意味著它很常見。

其中中子通量足以讓中子捕獲以10~100年重復一次。

相比之下,對每秒就要捕獲100次的r過程來講,s過程速度十分緩慢,這也就導致它很難在實驗室中進行。

中子星的脈沖表現

黃金即是星星

這樣的討論經過了幾十年, 直到2017年發現的GW170817才最終證實了科學家們的猜想

中子星合并產生的可見光為其帶來的研究素材,同時還有大量的r過程元素放射性衰變。

當兩顆中子星相互靠近時,由于 引力輻射的影響它們會向內盤旋。

最終合并成更大質量的中子星或者黑洞,具體的結果取決于殘余物質量是否超過「托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限」。

合并事件能在 1毫秒內產生比地球強數萬億倍的磁場,由此出現短暫的伽馬射線爆。

簡單來講,中子星合并就是一種天體碰撞。

蟹狀星云中心的中子星

正如我們前面所說,宇宙早期的輕型元素形成相對較快,因引力的作用它們融入到了恒星之中。

恒星的運動將其氫融合成氦,氦變成碳,以此類推,質量更大的恒星能將原子核一直融合成為鐵。

就像元素周期表展現的那樣,越重的元素需要更加強大的碰撞能量。

只要反應發生得足夠快,以至于在更多的中子被添加到原子核之前,放射性衰變就不會有機會發生

中子星合并帶來的碰撞是爆炸性般的改變,它會產生一個以光速20%~30%的速度向外膨脹的物質殼,并且大部分材料都是由新元素組成。

元素周期表中的元素揭示了這一過程

這些元素會 吸收特定波長的光,所以科學家便能夠利用這一點來對其進行對比查看。

哪些波長被哪些物質吸收了多少,并將它們與我們所發現或制造出來的特定元素進行對比。

不過 要想證明元素與光譜之間的對應性還是比較困難的,因為科學家目前還沒有完全掌握元素周期表中較重元素的光譜外觀。

就已經觀察到的光譜來講,科學家可以對其進行建模,并創建一個合成光譜,由此可以更深入地了解其對應的元素外觀。

至少就現在的發現來看, 黃金無疑是中子星合并的一部分

鍶元素大概就是這麼來的

同樣的發現還有350~850納米波長的 鍶元素,中子星合并同樣會帶來大量的鍶,這大概是地球質量的5倍多。

在GW170817事件被確認后, 目前的天體物理模型表明單個中子星合并事件可能會產生3~13個地球質量的黃金。

盡管目前的天體物理模型還有很多地方需要完善,至少現在我們明白,他人口中的金牙或者脖子上的金項鏈,或許正是上一次中子星合并產生的結果。

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