研究：重元素合成在具有軌道物質積累的黑洞中爲典型現象

宇宙中的化學元素是如何產生的？像金和鈾這樣的重元素是從哪裡來的？來自德國達姆施塔特的GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung的一個研究小組跟來自比利時和日本的同行一起使用計算機模擬顯示，重元素的合成在某些具有軌道物質積累的黑洞中是典型現象，即所謂的吸積盤。

所形成的元素的預測丰度提供了對哪些重元素需要在未來的實驗室--如目前正在建設的反質子和離子研究設施(FAIR)--進行研究的洞察力以解開重元素的起源。這些結果發表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上。

今天地球上的所有重元素都是在天體物理環境的極端條件下形成的：在恆星內部，在恆星爆炸中以及在中子星的碰撞中。研究人員對這些天體物理事件中哪些存在着形成最重元素如金或鈾的適當條件這一問題非常感興趣。

2017年對源自中子星合併的引力波和電磁輻射的首次壯觀觀測表明，許多重元素可以在這些宇宙碰撞中產生和釋放。然而問題仍未得到解決，即材料何時和爲何被拋出以及是否可能有其他可以產生重元素的情況。

有望產生重元素的候選者是由密集和熱物質的吸積盤圍繞的黑洞。這樣的系統既是在兩顆大質量中子星合併後形成的，也是在所謂的塌陷星即一顆旋轉星的塌陷和隨後的爆炸中形成的。截止到目前，這種吸積盤的內部組成還沒有得到很好的理解，特別是在形成過量中子的條件方面。高數量的中子是合成重元素的基本要求，因爲它能夠實現快速的中子捕獲過程或r過程。近乎無質量的中微子在這一過程中起着關鍵作用，因爲它們能夠在質子和中子之間轉換。

來自GSI研究部門理論部相對論天體物理學組的Oliver Just博士解釋稱：“在我們的研究中，我們首次通過精心設計的計算機模擬系統地研究了大量圓盤配置的中子和質子的轉換率。我們發現，只要滿足某些條件，圓盤的中子含量就非常豐富。決定性的因素是圓盤的總質量。圓盤的質量越大，中子就越經常通過在中微子發射下捕獲電子而從質子中形成，並可用於通過r過程合成重元素。如果圓盤的質量太高，反作用就會發揮更大的作用，從而使得更多的中微子在離開圓盤之前被中子重新俘獲。然後這些中子又被轉化爲質子，這就阻礙了r過程的發生。”正如該研究顯示的那樣，多產重元素的最佳圓盤質量約爲0.01至0.1太陽質量。這一結果提供了強有力的證據，即產生具有這些確切質量的吸積盤的中子星合併體可能是很大一部分重元素的起源點。然而這種吸積盤是否在塌陷系統中出現以及出現的頻率如何目前還不清楚。

除了質量噴射的可能過程，Andreas Bauswein博士領導的研究小組還在研究由噴射物質產生的光信號，這些信號將在未來對碰撞中子星的觀測中被用來推斷噴射物質的質量和成分。正確解讀這些光信號的一個重要基石是對新形成元素的質量和其他屬性擁有準確的瞭解。“這些數據目前還不夠。但隨着下一代加速器的出現如FAIR，未來將有可能以前所未有的精度來測量它們，”Bauswein預測道，“理論模型、實驗和天文觀測的良好協調的相互作用將使我們研究人員在未來幾年內能夠測試中子星合併作爲r過程元素的起源。”