恒星之外的元素是如何形成的

2017年8月17日，Ligo的两个探测器的相对臂长出现了微小的连续波动激光干涉引力波天文台)发出经过的引力波信号。自引力波于2015年9月首次被观测到以来，这是第9次在时空结构中记录到这种振荡。然而，与之前探测到的黑洞合并不同的是，在其他情况下是看不见的，这次中子星合并的事件伴随着灯光秀。天文学家在接下来的几天或几周内观测到的情况，将彻底改变科学家对金、铀和钚等重核起源的理解。四年过去了，许多事情仍然笼罩在谜团之中，但许多研究人员希望，离真相大白并不遥远。

核物理的核心在于四种基本力中的两种之间的拉锯战:一方面，强大的核力通过将质子与中子结合在一起来将原子核保持在一起;另一方面，电磁作用通过排斥带正电的质子来把它吹散。强核力是自然界中最强的力，在更轻、更小的原子核中，强核力很容易胜出，使这些元素的核聚变高度放热。正是这种反应为恒星提供了燃料:太阳目前通过将氢聚变成氦来产生能量。模型显示，在它的生命结束时，它将变成一颗红巨星，并短暂地将氦聚变成碳。质量更大的恒星可以继续产生氩、钙、钛和铁等元素。这个过程就到此为止。

它可能是最强的力，但强核力只在很短的距离上起作用。电磁力的作用范围是无限的，尽管它的强度随着距离的增加而衰减。因此，随着原子核变大，两者之间的斗争变得更加势均力敌，最终电磁学开始获胜。铁56就在交叉点。超过这个范围，核聚变就会变成吸热的，不再为恒星燃烧提供燃料。为了在实验室中产生更重的元素，人们开发了各种巧妙的过程(迄今为止最重的原子核oganesson-294是由钙48离子与加利福尼亚249原子碰撞产生的)，但在自然界中只发现了三种产生更重原子核的途径。

p过程是一种神秘的机制，它产生大约30到35个稳定的重核和许多与母核相比富含质子的放射性核。核天体物理学家说:“仍有许多悬而未决的问题。安东Wallner堪培拉的澳大利亚国立大学和德国德累斯顿罗森多夫亥姆霍尔茨中心。“你需要一个过程，最重要的是光分解，这通常涉及到强烈的伽马射线通量，这涉及到爆炸场景。”在元素周期表的任何给定质量区域，p核的数量只有其他核的1-2%左右，但它们仍然很重要:最近对钐-146半衰期的修正从1.03亿年降至6800万年，影响了对太阳系年龄的估计。“无论如何，”沃纳说，“我们都想了解这个过程。”

碰壁

铁以外的所有原子核都富含中子。它们是由两种可能的中子轰击产生的。慢中子俘获(s过程)主要发生在耗尽了大部分燃料但仍在内部进行核聚变(释放中子)的恒星中。热对流将聚变核运送到表面，在那里它们受到这些中子的轰击，偶尔会捕获一个。当一个原子核中子含量过高时，它就具有放射性，并可能发生衰变。这将中子转化为质子，使原子序数增加1。如果产生的原子核寿命足够长，它随后就可以捕获另一个中子。随着这个过程的重复，原子序数逐渐上升。原子核要么是由恒星风释放出来的，要么是恒星最终在超新星中爆炸时释放出来的。

然而，在铋209之后，s过程遇到了瓶颈。再多加一个中子就能得到铋-210，而铋-210会衰变为钋-210。它经过α衰变变成铅206。进一步的中子捕获只是重复这个循环。因此，铋是最重的“稳定”元素(事实上，铋在2003年被证实经历alpha衰变——但其半衰期是宇宙年龄的10亿倍)。

所有超出这个范围的元素都需要r过程(快速过程)，它包括一个非常短的、极其强烈的高能中子爆发。“两国的体制完全不同，”沃纳解释道;s过程的中子能量大约为10-30keV，而r过程的中子能量为几百keV。不同的核物理参数变得很重要，因为你只是在以极高的速率，增加中子，中子，中子，中子，所以中间原子核的性质就不那么重要了。瓦尔纳说:“除了铋之外，r过程不仅能产生所有元素，还能产生铁和铋之间50%左右的元素，而s过程和r过程的相对贡献有所不同。例如，金和铂在r过程中产生的更多，而铅在s过程中产生的更多。”

天文学的下一个顶级模型

值得注意的是，对于形成宇宙的这样一个关键过程，它究竟发生在哪里仍然存在激烈的争论。天体物理学家解释说:“因为你需要非常高的中子通量，很明显，你需要一个极端的天体物理事件。布莱恩Metzger哥伦比亚大学和熨斗研究所的研究员，都在美国纽约市。“直到几年前，我们真的不知道——最流行的模型发展的速度表明我们离找到答案还有多远。”

在20世纪90年代，天体物理学家开始怀疑大质量恒星的超新星看起来很有前景。梅茨格解释说:“你需要一个自由中子非常丰富的环境，而自由中子在自然界中是罕见的，因为它们在15分钟内就会衰变成质子。”“但让它们稳定的一种方法是将它们压缩成中子星。在中子星本身有点奇特的时候——更不用说把它们撞在一起了——人们开始观察它们的诞生，也就是超新星。所以人们在想‘好吧，如果我形成了这个富含中中子的恒星，也许有一种方法可以把一些物质弄出来，来解释这个r过程。’”

这指向了第二个来源，不管它是什么

然而，传统超新星的精细模型表明，它们不能提供足够的中子通量来产生最重的r过程元素。此外，s过程和r过程元素完全来自一个共同来源的假设似乎与实验证据相矛盾。例如，2021年5月，安东·沃纳和他的同事比较铁60的丰度(主要由s过程产生，并在超新星喷发中喷射)和钚-244(仅由r过程产生)在1000万年前的地壳样本中。他们在铁60丰度中发现了两个峰值——可能是由于附近的超新星。如果钚-244也仅仅是由同一颗超新星产生的，那么他们看到的钚-244和铁-60的含量峰值应该比实际观察到的要大得多。“这指向了第二个来源，不管它是什么，”沃纳解释道。

中子星合并的来源可能是在20世纪70年代首次提出的想法，但直到2010年才被讨论。梅茨格说:“2007年有一篇著名的评论文章，它只是一个脚注:文章的其余部分都是通过不同的超新星通道进行的。”然而，当Ligo正在建造时，研究人员开始更认真地模拟合并的物理过程。在这个时候，引力波还没有被探测到，天体物理学家想知道，如果引力波被探测到，他们将如何确定信号的起源。天体物理学家解释说:“在一定程度上，这是社区范围内的脱节。Imre Bartos美国佛罗里达大学教授。“这一理论发展的关键驱动力是想要了解如何通过其他手段探测引力波源。”然后，在2017年，爆炸发生了。

引力波探测后的光学信号被称为GW170817，不仅证实了这一事件是两颗中子星合并产生一个黑洞，而且在接下来的几周内，光谱线的复杂性不断增加，表明r过程产生了越来越重的元素。巴托斯说:“通过观察我们在光学上看到的东西，我们可以重建有多少物质被喷射出来，这是关键的组成部分。”“说中子星碰撞可以产生这些重元素是一回事，但这第一次测量真的可以用来计算出有多少物质离开这些系统，并将其与我们看到的物质进行比较。”虽然事情很复杂，但最重要的是，中子星合并可以解释我们在宇宙中看到的一切。”

来自超超新星的重元素

并不是所有的天体物理学家都信服。合并产生r过程核似乎是毫无疑问的——特别是在Ligo观测到的几次合并伴随着类似的电磁辐射之后——但一些天体物理学家认为这不太可能是它们的主要或唯一来源。中子星合并似乎只有在几代恒星形成和超新星产生足够的中子星之后才有可能。然而，在一些恒星和星系中观察到相对大比例的纯r过程元素，这些恒星和星系除了氢和氦之外几乎不含其他元素——这表明它们是在先前几乎没有发生核聚变的环境中形成的。Metzger是其中一篇重要论文的作者识别光谱中的重元素从2017年的合并来看，他说:“也许(社区)在这一发现上做得太过火了，忘记了人们之前意识到的一些教训。”

我不认为合并是r过程的唯一场所

2019年，Metzger和同事们假设r过程元素也可以产生当质量至少是太阳质量20-30倍的快速旋转恒星在一种奇异的巨型超新星(或超超新星)中坍塌时。梅茨格指出，合并的中子星和这些“坍缩星”都产生了巨大的伽马射线爆发，其起源一度令天文学家感到困惑。他说，在这两种情况下，导致伽马射线爆发的原因是以极高的速度吸收新形成的黑洞物质。“产生这种富含中子物质的过程实际上是从供养黑洞的圆盘中流出的。在自然界中有一个不同的地方发生了同样的物理现象，我的论点是，如果一个人进行了r过程，那么另一个人也应该这样做。“中子星合并和坍缩之间的一个关键区别是，年轻的星系不仅可以产生坍缩，而且它们比成熟的星系更有可能产生坍缩。这些事件将比中子星合并更加罕见，但每次事件中产生的r过程元素的总体质量可能要大得多:“我不认为合并是r过程的唯一场所，”Metzger说。他说，我认为，无论是99%、10%还是50%，未来都将成为更大的焦点。

随后，在2021年7月，澳大利亚国立大学(与Anton Wallner的团队无关)和国际合作者的研究人员将注意力集中在一颗非常不寻常的恒星上，它含有大量的氢和氦，少量的铁，以及相对大量的最重的r过程元素，如铕和钍。这些几乎完全符合“磁超新星”模型所预测的喷射物，这颗第一代恒星的质量是太阳的25倍，这意味着观测到的恒星可能是由这样的爆炸碎片形成的。

这些类型的超超新星可以产生坍缩和伽马射线暴，但研究人员认为，没有形成黑洞的事件仍然可以产生r过程元素。这些事件的发生率——尤其是在宇宙早期——因此可能至少和中子星合并时一样高。天体物理学家说:“如果你有1000颗超新星，可能只有一颗是这样明亮的，能产生金和铀。Chiaki小林英国赫特福德大学教授。“然而，与中子星合并相比——你必须让两颗中子星非常接近，才能让它们合并——这并不罕见。你可能可以用这些事件来解释手机中99%的金属。”

一个模型可能比另一个模型更能解释我们所看到的早期恒星

巴托斯打赌中子星合并是主要来源。他说:“我们有一个来源，它可以解释我们对宇宙中所看到的东西的最佳估计。”“这不是证据，但在这一点上，其他来源有责任证明他们是主要贡献者。”他承认，原始星系中r过程元素的存在令人困惑，但他说，“这可能是我们对中子星合并不了解的地方——这是一个你更喜欢哪种不确定性的问题。”此外，在2019年，他和同事马尔卡索来自美国纽约哥伦比亚大学计算从陨石中锕系元素衰变产物丰度的变化来看，太阳系的锕系元素最有可能是由与中子星合并频率大致相同的单一事件提供的。巴托斯承认，假设这可能是一种奇异的超新星，但他指出，“这需要对产生重元素的超新星部分进行微调”。

安东·沃尔纳表示，目前仍有很多猜测。他说:“人们应该对实验数据持开放态度，展示它们，并与社区中的其他人讨论他们的想法。”“大多数核天体物理界的人都对传统超新星产生钚或钍等最重的元素持怀疑态度，但也许只是模型中有一些需要考虑的输入。”我们不应该完全排除它。

巴托斯同意梅茨格和沃纳的观点，认为需要更多的数据。“对于可能发生的事情，我有我个人的看法，但有一些有趣的信息支持坍缩是重要的贡献者，而中子星合并是关键来源。我认为，如果没有更多的引力波探测，我们将无法最终确定这一点。“在解释我们所看到的早期恒星时，一个模型可能比另一个模型更好，这很好，也很重要，但不是决定性的。”当速率的不确定性和射出量的不确定性降低时，这就很明显了。他最后预测了解决这一问题所需的时间:“未来五年。”

蒂姆·沃根，美国俄勒冈州科普作家

2022年1月12日更新:伊姆雷·巴托斯的隶属关系已更正为佛罗里达大学