地球上的黃金從何而來?新研究:黑洞的吸積盤或是「黃金工廠」

輕、重元素的來源,長期以來一直讓科學家困惑不已。事實上,大多數元素是由氫和氦結合形成恒星而形成的。隨著這些恒星變得越來越熱、質量越來越大,一些較重的元素就會被鍛造出來,這個過程被稱為核合成(nucleosynthesis)——當恒星生命盡頭時,它們會在變成超新星時將這些元素噴向太空。

不過還有其他方式可以使重元素(例如銀和金)存在,比如中子星之間碰撞的結果。中子星本質上是質量不足以凝聚成黑洞的大質量恒星的殘余物,體積雖小,但密度極高——一茶匙裝滿中子星的物質大約重40 億噸。

那麼宇宙是否有其他方式創造重元素?發表于《皇家天文學會月刊》上的一項研究表明,黑洞周圍的 吸積盤可能是巨大的「 黃金工廠」。

恒星內部究竟是如何形成重元素的?

恒星內部的建模非常復雜,因為我們無法準確地將探測器發送到恒星內部來查看它的功能。然而,宇宙學家認為,雖然元素在大爆炸后不久就形成了,但條件還不夠冷,元素無法保持穩定。大約 3 或 4 分鐘后,早期的宇宙已經膨脹和冷卻,足以形成有利于電子停留在原子核周圍軌道的條件,從而形成了最輕、最簡單的化學元素—— 氫、氦和鋰。它們聚集形成巨大的氣態云,接著在自身引力作用下坍塌,成為第一批恒星。在這些恒星的核心內,當它們變得足夠大時,核聚變就開始了。

核聚變是將輕元素轉化為重元素的過程。氫也恰好是恒星本身的命脈,將氫融合成其他元素的過程是保持恒星穩定的原因。一旦達到臨界閾值并且恒星失去了生存所需的氫燃料,恒星的質量就決定了它會變成什麼樣的物體。像太陽這樣的小天體會變成白矮星,中等大小的恒星變成中子星或脈沖星,質量最大的恒星會坍縮成恒星質量的黑洞。

簡單地說, 只有較大的恒星才能產生更重的元素。這是因為這些恒星可以像我們的太陽一樣將它們的溫度升高到比較小的恒星更高的溫度。這些恒星中的氫用完后,它們會經歷一系列的核燃燒取決于產生的元素類型,例如氖燃燒、碳燃燒、氧燃燒或硅燃燒。在碳燃燒中,元素通過核聚變產生氖、鈉、氧和鎂。當氖燃燒時,它融合并產生鎂和氧......

反過來,這些元素會產生元素周期表上接近鐵的元素——鈷、錳和釕。然后,通過上述元素的連續聚變反應,產生鐵和其他較輕的元素。不穩定同位素的放射性衰變也會發生。一旦鐵形成,恒星核心的核聚變就會停止。

這是宇宙中最大恒星終結的開始。它需要大量的能量和熱量來融合其他重元素,尤其是鐵。一旦鐵開始在恒星的核心融合,它就會產生比融合過程用來抵消重力的能量更多的能量,從而保持恒星穩定并防止它自身坍塌。然后發生核心坍縮和超新星事件。當氣體被噴射到太空中時,原子會發生碰撞,特別是中子,在超新星被驅逐的瞬間。

一旦這些原子開始結合,放射性衰變就會帶來一個問題:在原子核被更多中子轟擊之前,中子必須非常迅速地融合。重元素是由重「種子核(seed nuclei)」連續快速捕獲中子形成的,例如 Fe-56,鐵的一種常見同位素,或其他更富含中子的重同位素。該過程也稱為「快速中子俘獲過程」或「r 過程」。這個過程負責產生大約一半的「重元素」——比鐵重的原子核。

那麼,大自然的黃金從何而來?

正如我們提到的,長期以來人們一直推測金和其他重元素可以通過幾種不同的方式形成:概括地說,要麼在大質量恒星的核心中,當兩顆中子星相撞時,要麼在噴出的熱氣體云中超新星事件后進入太空的瞬間。然而,一篇論文表明黑洞可能在創造地球上最寶貴的元素之一——黃金。

來自德國 GSI 亥姆霍茲重離子研究中心的天體物理學家奧利弗·賈斯特(Oliver Just)團隊,提出了一種理解重元素形成的新方法。他們認為重元素是在圍繞新生黑洞(吸積盤)的大量氣體和塵埃中產生的。吸積盤是快速旋轉的物質暈圈,以高速圍繞黑洞旋轉。

團隊通過精細的計算機模擬系統地研究了大量吸積盤配置的中子和質子的轉化率,我們發現只要滿足特定條件,吸積盤就含有非常豐富的中子。吸積盤的質量越大,質子形成中子的頻率就越高——因此有更多的中子可用于發生核反應過程,從而產生重金屬。

不過吸積盤太大的話,逆反應會將中子被轉換回質子,阻礙「r 過程」。而產生大量重元素的最佳吸積盤質量,大約為 0.01 至 0.1 個太陽質量。

地質學家在地球上的巖石中發現了黃金,這些巖石的歷史長達 45 億年,這正是地球形成的時候,但并不確定它是如何形成的,因為太陽的質量幾乎不足以將任何東西融合成金或銀。事實上,它不能融合任何比氧氣重的東西,氧氣有8個質子。另一方面,黃金由 79 個質子組成。所以它需要大量的能量來融合,而黑洞周圍旋轉的氣體和塵埃中可能存在足夠的能量。

因此,您戴在手指上的金戒指可能是數十億年前的黑洞產生的,并通過小行星和彗星傳送到地球,甚至可能存在于坍塌形成太陽的巨大云團中。

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