研究發現中子星碰撞是重元素的"金礦"

大多數比鐵輕的元素在恒星的核心形成。恒星的白熱中心為質子的融合提供了能量，将它們擠壓在一起形成逐漸變重的元素。但除了鐵之外，科學家們一直對産生金，鉑和宇宙中其他重元素的東西感到困惑，這些元素需要比恒星所能提供的更多的能量來形成。

麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）和新罕布什爾大學（University of New Hampshire）的研究人員進行的一項新研究發現，長期以來被懷疑的兩種重金屬來源中的一種更像是金礦，而不是另一種。

這項今天發表在《期刊快報》上的研究報告說，在過去的25億年裡，雙中子星的合并或兩顆中子星之間的碰撞産生的重金屬比中子星和黑洞的合并産生的重金屬更多。

該研究首次比較了兩種組合類型中重金屬的産生，并表明中子星可能是我們今天看到的金，鉑和其他重金屬的宇宙來源。這些發現還可以幫助科學家确定重金屬在整個宇宙中産生的速率。

"我們感到興奮的是，在某種程度上，我們可以說中子星可能更像是一個金礦，而不是中子星 - 黑洞合并，"該研究的主要作者，麻省理工學院卡弗裡天體實體與空間研究所的博士後研究員Hsin-Yu Chen說。"

Chen的合著者還包括麻省理工學院實體學助理教授Salvatore Vitale和UNH的Franciscois Foucart。

有效的閃存

當恒星經曆核聚變時，它們需要能量來融合質子以形成更重的元素。恒星在将較輕的元素從氫氣攪拌到鐵方面非常有效。然而，在鐵中超過26個質子的聚變在能量上會變得低效。

"如果你想超越鐵，建造更重的元素，如金和鉑，那麼你需要以其他方式将質子放在一起，"vitale說。"

科學家們懷疑超新星可能是答案。當一顆巨星在超新星中坍縮時，可以想象其中心的鐵與較輕的元素結合，這些元素落下産生較重的元素。

然而，在2017年，一個有希望的候選者以雙中子星合并的形式得到證明，首先分别由美國和意大利的引力波天文台LIGO和Virgo探測到。探測器探測到引力波或時空漣漪，源于距離地球1.3億光年的兩顆中子星之間的碰撞，這是一顆充滿中子的大品質恒星坍縮的核心，中子是宇宙中最密集的物體之一。

宇宙的合并發出閃光，其中包含重金屬的特性。

"合并中生産的黃金量是地球品質的幾倍，"陳說。這完全改變了局面。結果表明，中子星是比超新星更有效地産生重元素的方法。"

二進制金礦

Chen和她的同僚們想知道中子星合并與中子星和黑洞之間的碰撞相比如何。這是LIGO和Virgo檢測到的另一種合并類型，有可能成為重金屬工廠。科學家懷疑，在某些條件下，黑洞可能會破壞中子星，導緻它們在完全吞噬恒星之前産生火花并噴出重金屬。

該團隊着手确定每種類型的合并通常可以生産多少黃金和其他重金屬。對于他們的分析，他們專注于LIGO和Virgo迄今為止對兩顆中子星和兩顆中子星 - 黑洞合并的探索。

研究人員首先估計了每次合并中每個物體的品質以及每個黑洞的旋轉速率。他們認為，如果一個黑洞品質太大或太慢，它會在中子星有機會産生重元素之前吞噬它。他們還确定了每顆中子星對毀滅的抵抗力。恒星的抵抗力越強，它就越不可能激出重元素。他們還能夠根據LIGO，Virgo和其他天文台的觀測結果估計一個與另一個合并的頻率。

最後，該團隊使用Foucart開發的數值模拟來計算在天體的品質，旋轉，破壞程度和發生率的不同組合下，每次合并産生的黃金和其他重金屬的平均量。

平均而言，研究人員發現，中子星的合并産生的重金屬是中子星和黑洞合并的兩到100倍。他們的分析基于過去25億年中發生的四個綜合估計。他們的結論是，至少在這一時期，雙中子星的合并比中子星和黑洞之間的碰撞産生了更多的重金屬元素。

如果一個黑洞具有高自旋和低品質，那麼天平往往會合并中子星 - 黑洞。然而，科學家們尚未在迄今為止發現的兩次合并中觀察到這些類型的黑洞。

Chen和她的同僚們希望，随着LIGO和Virgo明年恢複觀測，更多的探測将改善團隊對每次合并産生重元素的速度的估計。反過來，這些速率可能有助于科學家根據其各種元素的豐度來确定遙遠星系的年齡。

"你可以使用重金屬，就像我們使用碳來測定恐龍遺骸一樣，"Vitale說，"因為所有這些現象都有不同的内在速率和重元素産量，這将影響你如何給星系加蓋時間戳。是以，這樣的研究可以改進這些分析。"