科學家研究解開宇宙重元素來源之謎

“氫氦鋰鈹硼，碳氮氧氟氖，鈉鎂鋁硅磷……”對於大多數人而言，化學“元素周期表”肯定不陌生。然而，宇宙中除了氫和氦之外，其他重元素是如何形成的卻還是一個未解之謎。

目前科學界普遍認為，一些重元素由氫與氦通過恆星內部核聚變反應產生。而恆星爆發成為超新星之后，又形成了另外一些重元素。然而，最近發表在《物理評論快報》上的一項新理論模型表明，微型黑洞從其內部毀滅中子星，可能也會制造出重元素，其中包括貴重的黃金。除此之外，對於重元素的來源還有一些其他推測。

重元素誕生於超新星爆發

大質量恆星核心核聚變產生了鐵及其之前的重元素之后，恆星會劇烈坍縮形成超新星爆發，恆星中的鐵元素在高溫高壓下，與自由中子、電子、質子等發生反應，產生鈾之前的所有重元素。

目前科學界主流觀點認為，在宇宙大爆炸之后的一段時期內，空間中充滿了氫和氦這樣最常見的輕元素，而宇宙中的一部分重元素來自於恆星內部的核聚變。

科學家指出，在極高的溫度和壓力下原子核外的電子可以擺脫原子核的束縛，使得兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發生原子核聚合作用，生成新的質量更重的原子核。這就是所謂的核聚變。而鐵以前的重元素就都是在恆星的核心，靠核聚變產生的。

恆星誕生初期能量全部來源於氫聚變成氦。恆星對抗自身引力坍縮的能量來源就是聚變。當大質量的恆星上的氫燃燒完之后，會在自身引力作用下發生坍縮，這一過程會使得核心溫度和壓力大幅升高，然后達到發生氦聚變的條件，生成碳和氧。當氦逐漸消耗，恆星又開始坍縮，溫度和壓力進一步升高，碳、氧就聚變生成硅。然后同理，硅聚變生成鐵，由於鐵聚變產生的能量得不償失，於是聚變的鏈條到鐵就停止了。此時恆星最外到最裡層依次是氫、氦、碳、硅、鐵。

但恆星的演化到了這步並沒有完全停止。由於恆星的高溫不足以“烹調”出鐵以后的元素，如銅、鎳、鋅、鈾等。要想促使這些重元素的誕生，就需要一個更大的熔爐，即超新星爆發。

科學家指出，大質量恆星在產生鐵核心之后，由於聚變反應的停止，核心會發生劇烈的引力坍縮，形成超新星爆發，鐵元素會在極高的溫度和壓力下，與自由中子、自由電子、質子及其他原子核發生反應，產生出92號元素鈾之前的所有重元素，並隨著超新星爆發將它們擴散到宇宙空間中去。

中子星碰撞造就重元素

兩顆中子星發生碰撞，一部分物質會被拋入太空，這些物質中富含中子，很多中子射向“種子核子”，這樣便會形成原子量越來越大的元素。

雖然大多數科學家認為，從鐵到鈾，自然界穩定存在的重元素中有約半數是大質量恆星在生命終結階段發生超新星爆發時生成的。但也有科學家給出了不同的可能性，他們指出，這些重元素的起源可能是一種更加狂暴而罕見的機制——密度超高的中子星之間發生的相撞。

中子星是恆星衰亡並發生超新星爆發之后殘留的遺骸，其密度極高。直徑數百公裡的一顆中子星，質量可以和太陽一樣甚至更高。在地球上，如果你拿著一勺中子星物質，那麼這一勺子物質的重量將達到50億噸。

盡管絕大部分中子星都孑然一身，但也會有兩顆中子星組成雙星系統，它們可以在一起相互繞轉數十億年，但是在這一過程中會逐漸相互靠近，直到有一天，這兩顆中子星終於陷入毀滅性的相撞。

美國哈佛史密鬆天體物理中心的科學家艾多·貝格說，這時候兩顆中子星的絕大部分物質會發生進一步坍縮，形成黑洞，而另外一部分物質會被拋入太空。這些物質中富含中子，這樣便

會形成原子量越來越大的元素。美國加州大學伯克利分校天體物理學家丹尼爾·卡森解釋說，你需要很多中子並將它們射向那些“種子核子”，才能合成那麼重的元素，比如金、鉛，或者鉑。這就像是汽車擋泥板上不斷累積的泥漿一樣。

科學家得出這一結論，緣於一次伽馬射線暴。這次伽馬射線暴距離地球約39億光年，雖然持續時間不到0.2秒，但其紅外線余暉卻持續數天時間。科學家將觀測的結果與理論模型進行對比之后，得出結論認為這是大量重金屬元素形成之后產生的放射性輝光，而這些重元素是在一次中子星的撞擊事件中產生的。

卡森對這次碰撞做了粗略的估算，認為這次事件中約產生了相當於20倍地球質量的黃金。這一數量的黃金足以裝滿100萬億個油桶。而且這次撞擊事件中所產生的鉑金數量甚至比產生的黃金還多7倍。

此外，科學家還在一個矮星系——網罟座二號9個最亮的恆星中發現了7個包含許多重元素的恆星，這比任何矮星系上發現的都要多。科學家表示，這些恆星上的重元素比其他相似星系上觀察到的多了近100倍。而在一個矮星系上發現這麼多重元素証明了網罟座一定發生過比超新星爆發還要罕見的事件，比如中子星撞擊，因為大多數超新星爆發產生的重元素也遠遠達不到網罟座上那些重元素的驚人數量。

黑洞毀滅中子星成為重元素來源

原生黑洞從內部消耗中子星，使中子星收縮自轉變快，最終導致一些部分甩離本體，這些富含中子的分離部分，很可能就是重元素的來源。

還有研究人員猜測，宇宙中的重元素（如金、銀、鉑和鈾）可能是早期宇宙誕生時在黑洞的幫助下形成的。

在宇宙大爆炸時，其異乎尋常的力量會把一些物質擠壓得非常緊密，形成了“原生黑洞”。這種黑洞並不是由恆星坍縮而形成的。理論上，原生黑洞比普通黑洞更小，甚至小到肉眼無法看到。

在這項最新研究中，研究人員認為原生黑洞會與中子星發生碰撞，中子星幾乎完全是由中子構成，並且非常密集，原生黑洞將沉入中子星中心區域，從其內部吞噬它們。美國加州大學洛杉磯分校理論物理學家亞歷山大·庫先科認為，當這種情況發生時，黑洞會從內部不斷消耗掉中子星，這個過程可能會持續1萬年左右。之后，中子星隨著自身的收縮，自轉會變得越來越快，最終導致一些小的部分被甩離本體。而這些富含中子的分離部分，很可能就是重元素的來源。

然而，庫先科同時表示，中子星捕獲黑洞的可能性非常低，這種低概率與隻有少量星系富含重元素的觀察結果一致。形成於宇宙早期的黑洞與中子星相撞產生重元素的理論也解釋了銀河系中心區域中子星數量稀少的問題。

據了解，今年晚些時候，庫先科和同事們將與普林斯頓大學的科學家合作，對“中子星—黑洞”相互作用產生重元素的過程進行計算機模擬，並希望能通過將模擬結果與臨近星系中重元素的觀測結果進行比較，來判斷地球上存在的金、鉑和鈾是否來源於早期宇宙中的黑洞。

相關鏈接

PANDA國際實驗欲了解重元素形成過程

俄羅斯科學院西伯利亞分院核物理所所長帕維爾·洛加喬夫近日表示，俄科學家正與外國同事一起籌備PANDA國際實驗，旨在了解重元素的形成過程。

實驗將在歐洲的反質子與離子研究裝置中進行，能讓人以新的方式一窺物質粒子和反物質粒子內部。包括俄羅斯科學院西伯利亞分院核物理所和新西伯利亞國立大學的科學家在內，將有來自17個國家的450位科學家參與試驗。

洛加喬夫表示，宇宙、星辰中重元素的形成過程至今仍是待解之謎。他指出，PANDA國際實驗將是在歐洲反質子與離子研究裝置中進行的4項試驗中的一項。計劃於2023年進行首次試驗。目前正在進行該科研裝備的設備開發工作。（記者姜靖）