重元素影響高質量巨行星的形成，中子星不是重元素的唯一來源？

作者：文/虞子期

在早前的宇宙中，科學家們就已經研究得出：在巨星的坍塌核心、或是合併中子星，都可以創造出宇宙的重元素。然而，卻無法解答中子星的合併是否是黃金/白金的唯一來源！於是，這便成了研究人員們想要解開的另一個謎團。下圖所展示的是兩個中子星合併的插圖，在早期宇宙中，也正是這種類型的恆星碰撞，導致了重元素的產生。

中子星是否是重元素的唯一來源

關於宇宙中r- process元素的起源探索，其本身就是一個多學科的挑戰，會使用到銀河化學的進化模擬、二元群體合成模型以及核合成計算等方面內容，旨在確定有哪些天體世間對它的形成帶來了影響。最後，研究人員得出這樣的結論：如果只是單純的依靠這些合併，是無法解釋通過r-過程所產生的所有元素的，即中子星並不是重元素的唯一來源。

只有了解形成了多少個恆星，才能獲得元素創造的基礎，並且還需結合不同的專業領域，這大概就是為什麼會被稱為「銀河系」的研究領域考古學。科學家們正在研究這個難題的不同部分，為了找到宇宙中重金屬的來源，研究人員一直沒有放棄探測古老恆星的表面。為了解開宇宙中重金屬的神秘面紗，在這項新研究中，還使用了星系形成的數值模擬，因為它可以追溯到大爆炸。與此同時，找到在早期宇宙中形成的金和其他重元素的痕迹，還觀察了舊恆星的表面，以此來測量它們的化學成分。

碰撞確定了重元素起源的重要一步

碰撞的兩顆中子星，一般會產生兩種結果：在第一種情況下，恆星產生的元素，會比周期表上的鎳和鐵重，並且還會發射引力波（向內螺旋時），而處在這個宇宙時空的宇宙漣漪，則會從快速軌道的恆星中獲取自己需要的能量，最後碰撞的中子星合併，便成了鉑，鈾和金等元素的來源。

科學家在引力波檢測後，通過首次對GW170817進行了紅外觀測發現，那些形成的亞原子粒子中較重的元素被粉碎在了一起。研究人員在中子星的紅外光譜中，看到了重元素的身影，並且很多材料被拋出，這對確定宇宙中重元素的起源打下了重要的基礎。但是，至於這種碎片發生的頻率、以及它們投射到星際空間的材料具體有多少並不清楚。

重元素影響高質量巨行星的形成

我們的宇宙歷史擁有幾個明確的時代，比如其中的星系開始形成行星的點。由於這些重元素必須由宇宙中的第一顆恆星產生，所以，第一顆行星也只能在後代恆星周圍形成。科學家們了解第一個行星的形成、如何提供關於早期宇宙的重要信息，這對天文學的許多方面都會有較大的影響，其中甚至包括尋找地外生命。

科學家們通過觀察表明，光蒸發似乎是其中主要的過程。數據結果顯示，更高金屬度的盤能更好地「屏蔽」主星的輻射蒸發，也就是說低的金屬度盤只有較短的壽命；反之，具有較高金屬度的圓盤，更傾向於形成更多的高質量巨行星。這兩句話簡潔明了的概括重金屬和行星形成之間的關係，對於行星的形成而言，有一個重要考慮因素，那就是星形盤周圍氣體和塵埃的分散速率。一顆巨大而密集的行星，可以形成一顆恆星和超新星，並富含大量重元素的天然氣，而這個量級至少可以達到太陽的10％。

距主星的距離函數之臨界金屬度

為何說臨界金屬度也是距主星的距離的函數？因為灰塵顆粒的穩定時間，主要取決於兩個因素，它們分別是盤的溫度和密度，而這些因素又和主星的距離有關。科學家們需要解決的第一個問題是：行星的形成到底需要多少臨界金屬度。研究人員對盤中塵粒沉降需要的時間，和盤的壽命進行了對比。

科學家們發現了一個普遍的結果：盤的壽命不會被塵埃顆粒沉降所需要的時間超越。當然，在兩者的數據比對過程中，也涉及到了一些假設。其中的一個假設是表面金屬度相同，即主恆星的表面與和它的行星形成的原恆星盤的表面。另外，研究人員還採用圓形行星軌道，如果軌道高度偏心，那麼數據和理論預測進行比較會變得更加困難。

而後，研究人員有了另一個假設，即行星沒有從磁碟中的初始出生地、向內遷移到它們的恆星。由此發現，只有當原星盤中達到最小金屬度時，才足以形成星子。換而言之，當恆星的重元素濃度較低、或天文學科學家的術語中「金屬度」 較低時，圍繞年輕恆星的塵埃盤並不能存活多久，而壽命縮短的原因，很可能是來自恆星的光讓塵埃雲蒸發了。

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