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宇宙中最極端的化學工廠,是如何造元素的?

世界充滿了化學物質,較輕元素,如碳、氧和氦,由於恆星內部強烈的聚變能將質子壓在一起而存在。但是,從鈷、鎳到銅,再到碘和氙,包括鈾和鈈,這些元素太重了,無法通過恆星聚變產生。即使是最大最亮的太陽核心也沒有足夠的熱量和壓力來製造比鐵更重的東西。然而,這些化學物質在宇宙中是豐富的,有東西在製造它們。

博科園-科學科普:超新星(在一些恆星生命結束時將恆星撕裂的爆炸)是這些爆炸應該短暫地達到足夠產生重元素的能量,解釋這一現象的主要理論是湍流。該理論認為,當超新星向宇宙中拋擲物質時,湍流漣漪會穿過它的風,短暫地壓縮拋出的恆星物質,使其具有足夠的力量將抗衡聚變的鐵原子撞向其他原子,形成更重的元素。但一種新的流體動力學模型表明,這一切都是錯誤的。

研究報告的主要作者、珀斯西澳大利亞大學的材料科學家斯尼扎娜·阿巴芝(Snezhana Abarzhi)說:為了啟動這一過程,需要一些額外的能量。多年來,人們一直認為,這種過剩可能是由劇烈、快速的過程造成,而這些過程本質上可能是動蕩的過程。但是Abarzhi和合作者開發了一個超新星中流體的模型,這個模型表明可能有其他的東西(更小的東西)正在發生。

本月早些時候,在波士頓舉行的美國物理學會3月會議上展示了他們的發現,並發表在《美國國家科學院院刊》上。在超新星中,恆星物質以高速從恆星核心爆炸。但是所有的物質都以相同速度向外流動。所以相對於其他恆星,恆星物質流中的分子運動並沒有那麽快。雖然可能偶爾會有波紋或渦流,但沒有足夠的湍流來創建元素周期表上超過鐵的分子。

相反,Abarzhi和團隊發現,核聚變很可能發生在超新星內部的孤立熱點。當一顆恆星爆炸時,爆炸並不是完全對稱的。恆星本身在爆炸前的那一刻就有密度不規則性,把它炸開的力也有點不規則。這些不規則現象會在爆炸恆星已經熾熱的液體中產生超高溫區域。超新星壓力和能量特別集中在爆炸質量的一小部分,而不是劇烈的漣漪震動整個質量。

這些區域變成了短暫的化學工廠,比任何存在於典型恆星中的東西都要強大。Abarzhi和團隊認為,這就是宇宙中所有重元素的來源。這裡最大的警告是,這是一個單一的結果和一篇論文。阿巴芝說,為了達到這個目標,研究人員依靠紙筆和電腦模型。為了證實或反駁這些結果,天文學家必須將它們與宇宙中超新星的實際化學特徵(氣體雲和其他恆星爆炸的殘留物)進行比對。但科學家們似乎更接近於了解我們周圍的物質,包括我們自己體內的物質,是如何形成的。

博科園-科學科普|文: Rafi Letzter/Live Science

參考期刊文獻:《美國國家科學院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1714502115

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