探測器拼湊出早期宇宙線索，宇宙中的大部分金元素來自哪裡？

作者：文/虞子期

在元素周期表中，所有已知的化學元素按照原子序數增加的順序，從左至右、從上到下都排列在了信息陣列中，該順序與增加的原子量通常也是保持一致的。這些元素的周期數，代表了其電子處於激髮狀態時能佔據的最高能級。當周期表向下移動，一段時間內的電子數量會增加；當原子能級增加，則每個能級的能級子級數也會增加。

不管年少時的你是否選擇的理工科類，對於元素周期表這個名詞一定不會感到陌生，我們每個人的區別大概只是對它的熟悉程度和使用深度的區別。即使誕生的時間已經超過了150年之久，但其中有很多宇宙的重元素來由，我們仍然並不是太了解。這裡面就包括黃金、白金，以及攜帶型電子產品中的稀土元素。

恆星坍縮產生宇宙中的大部分金

在宇宙大爆炸後的僅一分鐘左右時間，氫、氦、鋰，這三種宇宙中最輕的元素便誕生了。在元素周期表上的鐵元素，它們大部分都是在恆星的核心之中形成。但是，對於該周期表中那些比鐵更重的元素的形成方式，則是一個隱藏很久的謎團。

在之前的研究中，科學家們曾提出了一個關鍵的線索，可能會對該研究提供重要信息：原子核常常都需要將中子快速吸收，這個現象的過程被稱為「r-過程」。在哈勃太空望遠鏡圖像的蟹狀星雲中，一個著名的超新星遺迹被研究人員們鎖定，科學家們發現，在宇宙中的大部分金、鈾，以及其他重元素，其實都是恆星坍縮後迅速旋轉而形成。

探測器拼湊早期宇宙的線索

就像理論名稱的暗示那樣，大爆炸和太空爆炸並不是同一個意思。相反，在宇宙之中，空間是無處不在的存在。由宇宙大爆炸理論說明了，宇宙誕生於太空中那熱而密集的單點。在此之前到底發生了什麼，宇宙學家們目前也不確定。經過複雜的太空任務、地面望遠鏡和繁雜的科學計算，科學家們一直在努力描繪早期宇宙形成的清晰畫面。

在對宇宙微波背景的觀察上，有一個關鍵的部分，因為這裡面包括了大爆炸所遺留下的光和餘光的餘暉。當微波探測器置身於大爆炸遺迹瀰漫的宇宙之中時，可以發現它們的存在，以便於科學家們將這些早期宇宙的線索拼湊在一起。通過威爾金森微波各向異性探測（WMAP）任務，測量了宇宙微波背景的輻射，研究了早期宇宙中存在的條件，而後WMAP確定了宇宙的年齡（大約137億年）。

合併中r-過程元素的主要來源

早在2017年的時候，科學家們通過LIGO和Virgo引力波觀測站探測到的漣漪（關於空間和時間結構），發現了中子星之間的碰撞事件。它們都在這場被稱為超新星的災難性爆炸事件中喪生，成了這些超級中子豐富的大型恆星屍體。研究人員通過引力波的發現認為，正是在合併中子星的物質繭中才形成了大多數r-過程元素。

在2017年的中子星碰撞事件中，科學家們還發現，在這次事件中導致了一個黑洞產生，通過這些相關研究表明，在這個黑洞周圍形成的碎片吸積盤，正是合併中r-過程元素的主要來源。這也讓我們意識到，哪怕是完全不同的天體物理系，也可以在其周圍找到相同的物理學。而後，科學家們開發了能夠計算機模擬的吸積盤，設定一個預計會形成坍塌周圍的坍塌，從坍塌到快速旋轉的大質量恆星，再到其死亡導致的超新星和黑洞。

銀河系小而致命的恆星黑洞

要說外太空最奇特迷人的物體，那黑洞一定是其中之一，擁有極端密度和強烈引力，哪怕是光線也無法從它們的抓地中逃脫出來。在中間黑洞、超大質量黑洞和恆星黑洞這三種類型中，恆星黑洞是小而致命的。它形成於恆星燃燒盡了之後，而後坍塌或掉入自身。即使是比較小的恆星，質量也能達到太陽的三倍，新的核心將是白矮星或者中子星。

如果這是一顆足夠大的恆星，當它發生坍塌的時候則會繼續壓縮，然後形成一個恆星黑洞。雖然由各個恆星坍縮所形成的黑洞相對較小，但卻非常密集。這樣的物體也達到了太陽質量的幾倍甚至更多倍數，這將導致其具有一股巨大的重力，這個力量足以將周圍的物體拉動。與此同時，黑洞還會消耗銀河系的氣體和塵埃，然後不斷增加自己的大小。

坍塌彈射的材料和排出的r-過程元素

在那些吸盤中，科學家們發現，不少的材料都圍繞著新生的黑洞進行了圓形化。與此同時，這些吸積盤還具有讓人難以置信的內部區域（熱而密），就像電子、正電子和中微子等離子一樣，通過引導質子轉換為中子這樣的方式進行相互作用，然後才產生了重元素形成的初始條件（如鉑金和金）。

科學家表示，Collapsars會比中子星合併更為罕見，當坍塌彈射的材料數量越多，則表示它們可以比中子星碰撞更多地排出r-過程元素。通過相關數據研究發現，坍縮物所產生的重元素含量至少佔比80%，也就是說，大約有20%的重元素含量是由中子星合併所產生。

對於科學家們以後的研究，首先需要解決的問題是：元素是如何在其他類型的吸積盤中產生的，比如強磁化恆星產生的超新星。通過這些探索還能表明化學進化和星系組裝，這對我們探索宇宙學也具有同樣重要的意義。

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