钓金龟婿天体物理学家

最近发现的两颗中子星碰撞使我们更接近于理解宇宙中更重的元素,如金和铂是如何形成的……
11月16日
通过拉娜Ceraj

两颗中子星相撞

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最近发现的两颗中子星碰撞使我们更接近于理解宇宙中较重的元素,如金和铂是如何形成的。

纵观人类历史,黄金一直扮演着重要的角色。它通常被视为财富和权力的象征。由于其易于导电的能力,它在电子和航空航天工程领域也扮演着重要的角色。

但长期以来,科学家们一直不确定金和其他比铁重的元素是如何形成的。它们不是来自地球内部,而是来自其他地方。因此,科学家们将目光转向天空,寻找答案。

宇宙是一个尘土飞扬的地方。宇宙尘埃和气体由于重力聚集在一起,在适当的条件下,开始形成恒星。一颗恒星的生存方式取决于它从诞生时的尘埃云中聚集了多少质量。

质量较低的恒星,比如我们的太阳,过着漫长而无聊的生活,通过核聚变慢慢地将氢和氦转化为更重的元素。在某个时刻,它经历了一次“宇宙打嗝”,以碳、氮和氧原子的形式喷射出大约一半的质量。它们被喷进星际空间,形成行星状星云。剩下的是一颗死恒星的核心,被称为白矮星,它开始冷却,在很长一段时间后变成一颗冷的黑矮星。

在尺度的另一端,质量更高的恒星喜欢活得更大。它活得很快,迅速将“燃料”燃烧成重元素,直到其核心充满了铁。它在一次“宇宙大爆发”中结束了自己的生命——一场辉煌的超新星爆炸。在这次爆炸中,爆炸恒星周围的空间被铬和铷等重元素富集。但还是没有黄金……

超新星爆炸后留下的要么是中子星,要么是黑洞。中子星是一种密度极高的小恒星,主要由中子组成,它们紧密地包裹在一个相对较小的体积内。一茶匙的中子星重约50亿吨!黑洞更为极端,它的大质量被限制在一个更小的体积内,甚至连光都无法逃脱。

20世纪初,阿尔伯特·爱因斯坦创立了广义相对论。这个理论告诉我们,两个大质量的物体相互旋转,会在时空中产生以光速传播的涟漪。这些就是所谓的引力波。

2015年9月,LIGO和Virgo科学合作组织的仪器首次直接探测到引力波,证明了这一预测是正确的。探测到的信号向科学家揭示,这些波起源于两个黑洞的“螺旋”阶段,最终以碰撞结束,留下了一个更大的黑洞。这一发现为支持广义相对论提供了进一步的证据,震动了科学界。

中子星碰撞产生的碎片


就在宇宙的一眨眼之间,2017年8月17日,又一次探测到了引力波。但这一次,在探测到引力“雷声”后仅1.7秒,又探测到伽马射线“闪电”的短暂闪光。科学家们立刻意识到,这次他们探测到了一些不同的东西,一些以前从未被直接探测到的东西。那是两颗中子星的碰撞,产生了强大的kilonova爆炸。

理论告诉我们,这种爆炸不仅会产生引力波,还会产生电磁波谱中所有不同颜色的光。世界各地的科学家都知道要寻找什么,他们将70多架望远镜对准天空,寻找预期的光秀。令人惊讶的是,他们找到了!

天文学家花了两个多星期收集来自千新星的光。这些光提供了关于爆炸时发生的天体物理过程的宝贵信息。

通过进行最先进的“法医”工作,他们发现这对中子星在碰撞之前,在重力的作用下一起生活了很长时间。它们围绕宿主星系NGC 4993运行,直到大约1.3亿年前,它们在产生引力波的壮观碰撞中结束了自己的生命。

在探测到的两颗中子星碰撞之后产生的电磁对决是由碰撞后碎片中产生的新元素的放射性衰变引起的新元素,如黄金

光的特征表明,这次灾难性的事件产生的黄金和铂的数量相当于地球质量的十倍!事实上,这些模型表明,爆炸中产生的所有重元素的总质量相当于16000个地球!

金、铂等元素之所以被称为“重”元素,是因为它们的原子核中有大量的质子和中子。为了制造这些元素,需要大量的中子,当两颗中子星碰撞时,它们会向太空喷射出大量的物质,其中大部分是中子。这就是为什么中子星的碰撞是重元素诞生的完美环境。

元素周期表


这就是为什么我们现在知道这是数十亿年前的一次千新星爆炸,将黄金和其他金属喷射到尘埃和气体云中,最终形成了我们的太阳系。爆炸留下了珍贵的印记,作为礼物供我们使用,同时也提醒我们,两颗中子星为使我们的生活富含金属而献出了生命。金属,反过来,帮助我们研究宇宙,并回答诸如:所有的黄金是从哪里来的?

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