物理學(xué)家提出，坍縮恒星產(chǎn)生的高能光子噴流可能是钚等重元素的秘密工廠，這對傳統(tǒng)理論提出了挑戰(zhàn)，并可能解釋地殼中奇怪的宇宙輝光和金屬痕跡。
物理學(xué)中最大的未解之謎之一是宇宙是如何創(chuàng)造出元素周期表上最重元素的。為了解答這個問題，由洛斯阿拉莫斯國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊正在探索一個此前未知的環(huán)境：大質(zhì)量恒星坍縮過程中伽馬射線爆發(fā)產(chǎn)生的強(qiáng)烈噴流及其周圍物質(zhì)，即所謂的“繭”。
在發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志》的一項研究中，研究人員提出，這些噴流深處的高能光子可能會分裂坍縮恒星的外層，將質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子。中子的突然爆發(fā)可能引發(fā)一系列反應(yīng)，最終形成鈾和钚等重元素。
一束高能光子噴流（白色和藍(lán)色）穿過一顆中心帶有黑洞的坍縮星。噴流周圍的紅色空間代表著一個繭，自由中子可能在這里被捕獲，從而引發(fā)r過程，即導(dǎo)致重元素形成的核合成。圖片來源：洛斯阿拉莫斯國家實驗室
“鈾和钚等重元素的形成需要極端條件，”洛斯阿拉莫斯物理學(xué)家馬修·穆姆鮑爾（Matthew Mumpower）說道?！坝钪嬷兄挥猩贁?shù)幾個可行但罕見的場景可以形成這些元素，而所有這些場景都需要大量的中子。我們提出了一種新現(xiàn)象，這些中子并非預(yù)先存在，而是在恒星內(nèi)部動態(tài)產(chǎn)生的?！?/p>
通常情況下，自由中子衰變很快，僅能存活約15分鐘，這限制了它們參與元素生成反應(yīng)的機(jī)會。但在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，可以發(fā)生一個稱為快速中子俘獲過程（或稱“r過程”）的過程。據(jù)信，這一過程是宇宙中所有自然生成的釷、鈾和钚的誕生之源。
該團(tuán)隊的模型通過引入恒星坍縮過程中可能發(fā)生的新反應(yīng)途徑，為 r 過程物理學(xué)中長期存在的挑戰(zhàn)提供了新的解決方案。
除了解釋重元素的形成機(jī)制外，研究人員的框架還探討了一些關(guān)鍵的科學(xué)問題，例如中子如何在物質(zhì)中移動、復(fù)雜的多物理系統(tǒng)如何運作以及如何探測罕見的宇宙事件。這些見解在天體物理學(xué)和國家安全等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，因為了解奇異粒子和反應(yīng)的行為至關(guān)重要。
在穆姆鮑爾提出的設(shè)想中，一顆大質(zhì)量恒星隨著核燃料耗盡而開始消亡。由于無法再抵抗自身引力，恒星中心會形成一個黑洞。如果黑洞旋轉(zhuǎn)速度足夠快，黑洞附近極強(qiáng)引力產(chǎn)生的參考系拖拽效應(yīng)會擾亂磁場，并發(fā)射出一股強(qiáng)大的噴流。通過后續(xù)反應(yīng)，會產(chǎn)生一系列光子，其中一些光子的能量很高。
噴流穿過前方恒星，在噴流周圍形成一個熾熱的物質(zhì)繭層，“就像一列貨運火車在雪地里行駛，”穆姆鮑爾說道。在噴流與恒星物質(zhì)的界面處，高能光子（即光）可以與原子核相互作用，將質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子?，F(xiàn)有的原子核也可能分解成單個核子，從而產(chǎn)生更多自由中子來驅(qū)動r過程。該團(tuán)隊的計算表明，光與物質(zhì)的相互作用可以以極快的速度（大約納秒）產(chǎn)生中子。
由于帶電荷，質(zhì)子會被強(qiáng)磁場困在噴流中。不帶電荷的中子則被拋出噴流，進(jìn)入“繭”中。經(jīng)歷相對論性激波后，中子的密度遠(yuǎn)高于周圍的恒星物質(zhì)，因此可能會發(fā)生r過程，重元素和同位素會逐漸形成，并在恒星被撕裂時被拋射到太空中。
質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，同時自由中子逃逸到周圍的“繭”中形成重元素的過程，涉及廣泛的物理原理，涵蓋了自然界的所有四種基本力：這是一個真正的多物理場問題，將原子物理學(xué)、核物理學(xué)、流體力學(xué)和廣義相對論等領(lǐng)域結(jié)合起來。盡管該團(tuán)隊付出了巨大的努力，但由于r過程中產(chǎn)生的重同位素從未在地球上合成過，因此仍面臨更多挑戰(zhàn)。研究人員對它們的原子量、半衰期等性質(zhì)知之甚少。
該團(tuán)隊提出的高能噴流框架或許有助于解釋與長持續(xù)時間伽馬射線暴相關(guān)的千新星（一種發(fā)出可見光和紅外電磁輻射的輝光）的起源。千新星主要與兩顆中子星碰撞或一顆中子星與一個黑洞的并合有關(guān)。這些強(qiáng)烈的碰撞是通過觀測確認(rèn)宇宙重元素形成工廠的一種可能方法。通過高能光子噴流導(dǎo)致的恒星消亡為重元素及其可能產(chǎn)生的千新星的產(chǎn)生提供了另一種起源，這種可能性此前從未被認(rèn)為與坍縮恒星有關(guān)。
與此相關(guān)，科學(xué)家在深海沉積物中觀察到了鐵和钚。經(jīng)過研究，這些沉積物被證實來自地外，盡管與產(chǎn)生千新星的現(xiàn)象一樣，其具體位置或宇宙事件仍然難以捉摸。坍縮星高能噴流的假說代表了一種有趣的可能性，即這些海底重元素的來源。
為了更全面地理解所提出的框架，Mumpower 和他的團(tuán)隊希望在他們的模型上運行模擬，包括復(fù)雜的微物理相互作用。
編譯自/ScitechDaily
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