黃金從哪里來(lái)？美國(guó)國(guó)家航空航天局的數(shù)據(jù)有線索 _美國(guó)

這位藝術(shù)家的概念描繪了一顆磁星——一種具有強(qiáng)磁場(chǎng)的中子星——將物質(zhì)釋放到太空中。顯示為細(xì)綠線，磁場(chǎng)線影響磁星周圍帶電物質(zhì)的運(yùn)動(dòng) 。圖像：美國(guó)國(guó)家航空航天局/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室加州理工學(xué)院
據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（伊麗莎白·蘭道）：自大爆炸以來(lái)，早期宇宙中有氫、氦和少量的鋰。后來(lái)，一些較重的元素，包括鐵，被鍛造成恒星。但天體物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一是：第一批比鐵重的元素，如金，是如何產(chǎn)生并分布在整個(gè)宇宙中的？
紐約哥倫比亞大學(xué)的博士生Anirudh Patel說(shuō)：“就宇宙中復(fù)雜物質(zhì)的起源而言，這是一個(gè)非常基本的問(wèn)題。這是個(gè)有趣的謎題，實(shí)際上還沒(méi)有得到解決。”
Patel領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)研究，該研究使用了美國(guó)國(guó)家航空航天局和歐洲航天局望遠(yuǎn)鏡20年來(lái)的檔案數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了大量這些重元素的驚人來(lái)源的證據(jù)：來(lái)自被稱為磁星的高度磁化中子星的耀斑。這項(xiàng)研究發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上。
研究作者估計(jì)，磁星巨型耀斑可能占銀河系中比鐵重的元素總豐度的10% 。由于磁星在宇宙歷史上相對(duì)較早地存在，因此第一批黃金可能是通過(guò)這種方式制成的。
巴吞魯日路易斯安那州立大學(xué)的研究合著者兼天體物理學(xué)家埃里克·伯恩斯說(shuō)：“這是在回答本世紀(jì)的一個(gè)問(wèn)題，并利用幾乎被遺忘的檔案數(shù)據(jù)解開一個(gè)謎團(tuán) 。” 。
如何在磁星上制造黃金？
中子星是已經(jīng)爆炸的恒星的坍縮核心。它們的密度如此之高，以至于地球上一茶匙中子星物質(zhì)的重量可達(dá)十億噸。磁星是一種具有極其強(qiáng)大磁場(chǎng)的中子星。
在極少數(shù)情況下，磁星在經(jīng)歷“星震”時(shí)會(huì)釋放出大量的高能輻射，與地震一樣，星震會(huì)破壞中子星的地殼。星震也可能與被稱為磁星巨型耀斑的強(qiáng)大輻射爆發(fā)有關(guān)，這甚至?xí)绊懙厍虻拇髿鈱?。在銀河系和附近的大麥哲倫星云中只觀測(cè)到三次磁星巨型耀斑，在銀河系外觀測(cè)到七次。
Patel和他的同事，包括他的顧問(wèn)、哥倫比亞大學(xué)教授、紐約熨斗研究所高級(jí)研究科學(xué)家Brian Metzger，一直在思考巨型耀斑的輻射如何與那里形成的重元素相對(duì)應(yīng) 。這將通過(guò)中子將較輕的原子核鍛造成較重的原子核的“快速過(guò)程”來(lái)實(shí)現(xiàn) 。
質(zhì)子定義了元素在元素周期表上的身份：氫有一個(gè)質(zhì)子，氦有兩個(gè)，鋰有三個(gè)，以此類推。原子也有中子，這些中子不會(huì)影響身份，但會(huì)增加質(zhì)量。有時(shí)，當(dāng)一個(gè)原子捕獲到額外的中子時(shí)，原子會(huì)變得不穩(wěn)定，發(fā)生核衰變過(guò)程，將中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，使原子在周期表上向前移動(dòng) 。例如，這就是金原子如何吸收額外的中子，然后轉(zhuǎn)化為汞。
在中子密度極高的破碎中子星的獨(dú)特環(huán)境中，發(fā)生了更奇怪的事情：?jiǎn)蝹€(gè)原子可以快速捕獲如此多的中子，以至于它們經(jīng)歷多次衰變，從而產(chǎn)生更重的元素，如鈾。
當(dāng)天文學(xué)家在2017年使用美國(guó)國(guó)家航空航天局望遠(yuǎn)鏡和激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）以及地面和太空中的眾多望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到兩顆中子星的碰撞時(shí)，他們證實(shí)這一事件可能產(chǎn)生了金、鉑和其他重元素。但中子星合并在宇宙歷史上發(fā)生得太晚，無(wú)法解釋最早的金和其他重元素。這項(xiàng)新研究的合著者——布拉格查爾斯大學(xué)的Jakub Cehula、俄亥俄州立大學(xué)的Todd Thompson和Metzger——最近的研究發(fā)現(xiàn)，磁星耀斑可以高速加熱和噴射中子星地殼物質(zhì)，使其成為潛在的來(lái)源。

一位藝術(shù)家的渲染圖顯示，一顆高度磁化的中子星的地殼破裂會(huì)引發(fā)高能爆發(fā) 。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心/s.Wiessinger
舊數(shù)據(jù)中的新線索
起初，Metzger和他的同事們認(rèn)為磁星上重元素的產(chǎn)生和分布的特征會(huì)出現(xiàn)在可見(jiàn)光和紫外光中，并發(fā)表了他們的預(yù)測(cè) 。但路易斯安那州的伯恩斯想知道是否也有足夠明亮的伽馬射線信號(hào)可以被探測(cè)到。他讓梅澤爾和帕特爾檢查一下，他們發(fā)現(xiàn)可能有這樣的簽名。
梅澤爾說(shuō)：“在某個(gè)時(shí)候，我們說(shuō)，‘好吧，我們應(yīng)該問(wèn)觀察員是否看到了什么。’” 。
Burns查閱了2004年12月觀測(cè)到的最后一次巨大耀斑的伽馬射線數(shù)據(jù) 。他意識(shí)到，雖然科學(xué)家們解釋了爆發(fā)的開始，但他們也在歐空局（歐洲航天局）國(guó)際伽馬射線天體物理實(shí)驗(yàn)室（INTEGRAL）的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了磁星發(fā)出的較小信號(hào)，INTEGRAL是最近由美國(guó)國(guó)家航空航天局資助的退役任務(wù) 。伯恩斯說(shuō)：“當(dāng)時(shí)已經(jīng)注意到了，但沒(méi)有人知道它會(huì)是什么。” 。
梅澤爾記得，伯恩斯認(rèn)為他和帕特爾是在“開玩笑” ，因?yàn)樗麄儓F(tuán)隊(duì)模型的預(yù)測(cè)與2004年數(shù)據(jù)中的神秘信號(hào)非常吻合。換句話說(shuō)，20多年前探測(cè)到的伽馬射線信號(hào)與重元素形成并分布在磁星巨型耀斑中時(shí)的樣子相對(duì)應(yīng) 。
帕特爾非常興奮，“在接下來(lái)的一兩周里，我什么都沒(méi)想。這是我唯一的想法，”他說(shuō) 。
研究人員利用美國(guó)宇航局兩次太陽(yáng)物理學(xué)任務(wù)的數(shù)據(jù)支持了他們的結(jié)論：退役的RHESSI（魯文·拉馬蒂高能太陽(yáng)光譜成像儀）和正在進(jìn)行的美國(guó)宇航局Wind衛(wèi)星，該衛(wèi)星也觀測(cè)到了磁星巨型耀斑。這項(xiàng)新研究的其他合作者包括Flatiron研究所的Jared Goldberg 。
磁星淘金熱的下一步
美國(guó)國(guó)家航空航天局即將進(jìn)行的COSI（康普頓光譜儀和成像儀）任務(wù)可以跟進(jìn)這些結(jié)果。COSI是一臺(tái)廣域伽馬射線望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計(jì)將于2027年發(fā)射，將研究宇宙中的高能現(xiàn)象，如磁星巨型耀斑。COSI將能夠識(shí)別這些事件中創(chuàng)建的單個(gè)元素，為理解元素的起源提供新的進(jìn)展。它是眾多可以協(xié)同工作以尋找宇宙中“瞬態(tài)”變化的望遠(yuǎn)鏡之一。
研究人員還將跟進(jìn)其他檔案數(shù)據(jù)，看看其他磁星巨型耀斑的觀測(cè)中是否隱藏著其他秘密。
帕特爾說(shuō)：“想想我手機(jī)或筆記本電腦里的一些東西是如何在銀河系歷史上的這場(chǎng)極端爆炸中偽造的，真是太酷了。”