新证据挑战宇宙最重元素的起源理论

在它“诞生”之后生活大爆炸,宇宙主要由氢和少数氦原子组成。这些是元素周期表中最轻的元素。

从大爆炸到现在,所有比氦重的元素或多或少都是在138亿年中产生的。

恒星通过以下过程产生了许多这些较重的元素核聚变.然而,这只会让元素像铁一样重。任何较重元素的产生都会消耗能量而不是释放能量。

為了解釋今天這些較重元素的存在,有必要找到可以產生它的現象。

符合要求的一种事件是伽马射线暴 (GRB)– 宇宙中最强大的一类爆炸。这些火山可以以太阳光度的五分之一(10后跟18个零)倍于太阳的光度爆发,并被认为是由几种类型的事件引起的。

GRB可以细分为两类:长脉冲和短脉冲。长GRB与大质量和快速旋转恒星的死亡有关。根据这一理论,在大质量恒星坍缩过程中,快速旋转的光束将物质喷射成以极快速度移动的狭窄射流。

詹姆斯·韦伯太空望远镜观测了“船”的后果。(埃米特·吉文/美国宇航局/MSFC)

短暂的爆发只持续几秒钟。它们被认为是由两颗中子星的碰撞引起的——两颗中子星是致密而致密的“死”星。

2017年8月,一个重要事件帮助支持了这一理论。利戈处女座引力波美国的探测器,发现了一个似乎来自两颗中子星的信号发生碰撞。

几秒钟后,一个被称为GRB 100817A的短伽马射线暴被探测到来自天空中同一方向。几个星期以来,地球上几乎所有的望远镜都指向这一事件,以前所未有的努力研究其后果。

观察结果显示基洛诺瓦在GRB 170817A的位置。千新星是超新星爆炸的暗淡表亲。更有趣的是,有证据表明爆炸过程中产生了许多重元素.

一项研究的作者自然界对爆炸的分析表明,这颗千新星似乎产生了两种不同类别的碎片或喷射物。一种主要由轻元素组成,而另一种由重元素组成。

我们已经提到,核聚变只能在元素周期表中产生像铁一样重的元素。但是还有另一个过程可以解释千新星如何能够产生更重的。

快速中子捕获过程或R-过程是较重元素(如铁)的原子核(或核心)在短时间内捕获许多中子粒子的地方。然后它们的质量迅速增长,产生更重的元素。

然而,要使r-process工作,您需要合适的条件:高密度、高温和大量可用的自由中子。伽马射线暴恰好提供了这些必要条件。

然而,两颗中子星的合并,就像导致千新星GRB 170817A的中子星一样,是非常罕见的事件。事实上,它们可能非常罕见,以至于它们不太可能成为我们宇宙中丰富的重元素的来源。但是长GRB呢?

当一颗恒星坍缩成黑洞时,一股粒子射流刺穿了它。(美国宇航局戈达德太空飞行中心)

最近的一项研究特别调查了一种长伽马射线暴,GRB 221009。这已经被称为 BOAT– 有史以来最亮的。这个GRB于2022年10月9日被接收到,作为席卷太阳系的强辐射脉冲。

这艘船引发了一场与千新星类似的天文观测活动。这个 GRB 的能量是之前记录保持者的 10 倍,而且离我们如此之近,以至于它的对地球大气层的影响在地面上是可衡量的,可与专业相媲美太阳风暴.

在研究BOAT后果的望远镜中,有詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)。它在GRB爆炸大约六个月后观察了它,以免被最初爆发的余辉所蒙蔽。

JWST收集的数据显示,尽管该事件的亮度非常高,但它是由只是普通的超新星爆炸.

事实上,之前对其他长GRB的观测表明,GRB的亮度与与之相关的超新星爆炸的大小之间没有相关性。BOAT似乎也不例外。

JWST团队还推断了BOAT爆炸期间产生的重元素数量。他们没有发现r过程产生的元素的迹象。这是令人惊讶的,因为从理论上讲,长GRB的亮度被认为与其核心的条件有关,很可能是黑洞.

对于非常明亮的事件,尤其是像BOAT这样极端的事件,条件应该适合r过程的发生。

这些发现表明,伽马射线暴可能不是宇宙重元素的关键来源。相反,必须有一个或多个来源仍然存在。

罗伯特·博泽,都柏林城市大学(DCU)物理科学学院助理教授,都柏林城市大学

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