宇宙中最强大的爆炸可能会揭示黄金的来源

伽马射线暴是宇宙中已知的最强大的爆炸类型，当涉及到所有物理学中最具挑战性的开放问题之一——宇宙中最重的元素是如何形成的——时，可能有助于提供一块拼图。

一项新的研究结果表明，伽马射线暴发出的非常强大的光可能有助于从垂死恒星的外壳中产生这些元素。

以前，研究表明，最重元素（如金）的形成需要原子核可以吸收的大量中子才能变得越来越大。但正因为如此，“科学家们认为重元素只有在已经大量存在中子的地方才会产生，”该研究的主要作者、新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家马修·穆姆鲍尔 （Matthew Mumpower） 告诉 Space

通常，中子束缚在原子核内，或者在构成称为中子星的非常强大的恒星的物质中束缚。裂变或聚变等核反应可以将中子从它们的结合中释放出来，以帮助产生重元素——然而，“自由中子通常会在大约 15 分钟内衰变，”Mumpower 说。这限制了自由中子在形成重元素所需的丰度的潜在情况的数量，仅限于少数罕见的情况。其中一种情况是两颗中子星的灾难性合并。

“20 年来，我一直在研究重元素的起源，”Mumpower 说。“它让我着迷，因为有太多的未知数，使其成为所有物理学中最难解决的问题之一。”

现在，Mumpower 和他的同事们提出了一种锻造重元素的新方法。他们说，来自伽马射线暴的强光子或光粒子可以帮助产生中子。

“如果你有高能光子，你就会产生中子，如果你有中子，你就可以产生重元素，”Mumpower 说。

这个新场景设想了一颗巨大的恒星在燃料耗尽时死亡。由于没有抵消自身巨大引力所需的能量，恒星的核心会坍缩形成一个黑洞。这种灾难性的死亡可以发射极其强烈的辐射脉冲——伽马射线暴。

恒星会旋转，包括我们的太阳，如果垂死的恒星产生的黑洞旋转得足够快，它就可以发射出强大的喷流，并在喷流深处产生高能光子。这股喷流猛烈撞击垂死恒星的外壳，形成一个热的物质茧。在这个热茧中，研究人员认为喷流的高能光子可以与原子核相互作用，以令人难以置信的速度将质子转化为中子——大约在一纳秒内。该团队表示，高能光子还可以分解原子核，产生自由中子。所有这些中子都可以帮助锻造重元素。

“这项特殊研究的灵感来自与我孩子的对话，”Mumpower 说。“他们喜欢在 YouTube 上观看慢动作视频，在大流行期间的一个晚上，我们看到了一列货运火车在一大堆雪中犁地的令人难以置信的片段。雪不仅消失了——它还被吹到一边，包围了火车。

“如果这列火车代表充满高能光子的天体物理喷流，而雪代表一颗被炸走的恒星，形成一个能够产生中子的热茧，那会怎样？”穆鲍尔回忆起自己在想。“这个类比成为我'顿悟'的时刻，启动了这项研究。”

这种新发现的机制可能有助于解释以前奇怪的发现，例如某些放射性物质，如铁-60 和钚-244 一起出现在地球的深海沉积物中。先前的工作表明这些物质起源于地外，但中子星合并是已知的重元素形成的主要机制之一，无法轻易解释这些物质。

这些发现也可能有助于解释最近发现的千新星——可见光和红外光的辉光——与长时间伽马射线暴有关。以前的研究大多将千新星与两颗中子星的碰撞或中子星与黑洞的合并联系起来，而不是将坍缩的恒星联系起来。

Mumpower 希望未来的观察将为该团队的新发现提供明确的证据。例如，一系列可以探测光、中微子和引力波的望远镜可以跟踪坍缩恒星产生伽马射线暴和千新星的方式。“这些信息将为我们提供拟议的物理机制的冒烟证据，”他说。

科学家们于 3 月 20 日在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal） 上在线详细介绍了他们的发现。