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超重力炼金术:新生黑洞会推开真理之门

宇宙的方法可能比我们想象的更多。

诸如金、银、钍和铀等金属的产生需要高能量条件,如超新星爆炸,或中子星之间的碰撞。

然而,一篇新论文显示,这些元素可形成在活跃的新生黑洞周围的漩涡混沌中,因为黑洞吞噬了周围空间的尘埃和气体。在极端环境中,中微子的高发射率应该促进质子向中子的转化–导致后者的过剩,这是制造重元素的过程所需要的。

德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心的天体物理学家Oliver Just说:”在我们的研究中,首次通过精心设计的计算机模拟系统地研究了大量吸积盘状结构里的中子和质子转换率,我们发现,只要满足某些条件,盘状结构中的中子就非常丰富。”

一开始,在大爆炸之后,并没有大量的元素。在恒星诞生并开始在其核心粉碎原子核之前,宇宙主要是由氢和氦组成的汤。

恒星核聚变为宇宙注入了更重的元素,从碳一直到最巨大的恒星铁,在恒星死亡时向全空间播撒。

但铁是核聚变遇到屏障。通过核聚变产生铁所需的热量和能量超过了这个过程产生的能量,导致核心温度下降,这反过来又导致恒星在壮观的爆炸中死亡–超新星爆发。

正是这个壮观的超新星(以及碰撞中子星)使较重的元素融合在一起。爆炸的能量如此之大,以至于原子在用力碰撞时,可以从对方那里捕获中子。

这被称为快速中子捕获过程,或r-过程;它需要真正快速地发生,以便在更多的中子被添加到原子核之前没有时间发生放射性衰变。

目前还不清楚是否还有其他可以发生r-进程的情况,但新生黑洞是一个有希望的候选者。一个是中子星合并成黑洞,塌缩星是另一种可能:大质量恒星的核心在引力作用下塌缩成一个恒星质量的黑洞

在这两种情况下,小黑洞被密集的、热的物质环所包围,围绕着黑洞旋转,并向它输送物质,就像水流入下水道一样。在这些环境中,中微子被大量地发射出来,天文学家们长期以来一直假设r-捕获核合成可能因此而发生。

Just和他的同事进行了模拟,以确定情况是否确实如此。他们改变了黑洞的质量和自旋,以及它周围物质的质量,还有不同参数对中微子的影响。他们发现,如果条件恰到好处,r-进程的核合成可以在这些环境中进行。

“决定性的因素是圆盘的总质量。圆盘的质量越大,中子就越经常通过在中微子发射下捕获电子从质子中形成,并可用于通过r-过程合成重元素。然而,如果圆盘的质量太高,反作用就会发挥更大的作用,这样更多的中微子在离开圆盘之前被中子重新捕获。然后这些中子又被转化为质子,这就阻碍了r过程的进行。”

重元素最多的甜区(棒球术语)是盘的质量在太阳质量的1%到10%之间。这意味着盘质量在这个范围内的中子星合并体可能是重元素工厂。研究人员说,由于不知道坍缩恒星出现吸积盘的情况有多普遍,所以关于坍缩恒星黑洞的结论仍未成立。

下一步将是确定如何利用中子星碰撞所发出的光来计算其吸积盘的质量。

“数据目前是不够的。但是随着下一代加速器的出现,比如反质子和离子研究设施(FAIR),未来将有可能以前所未有的精度来测量它们,”GSI亥姆霍兹重离子研究中心的天体物理学家Andreas Bauswein说。

“理论模型、实验和天文观测的良好协调的相互作用,将使我们研究人员在未来几年能够测试中子星合并作为r-进程元素的起源。”

这项研究已经发表在《皇家天文学会月报》上。

https://www.sciencealert.com/newborn-black-holes-could-be-inadvertently-making-gold

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