重元素影响高质量巨行星的形成,中子星不是重元素的唯一来源?

作者:文/虞子期

在早前的宇宙中,科学家们就已经研究得出:在巨星的坍塌核心、或是合并中子星,都可以创造出宇宙的重元素。然而,却无法解答中子星的合并是否是黄金/白金的唯一来源!于是,这便成了研究人员们想要解开的另一个谜团。下图所展示的是两个中子星合并的插图,在早期宇宙中,也正是这种类型的恒星碰撞,导致了重元素的产生。

中子星是否是重元素的唯一来源

关于宇宙中r- process元素的起源探索,其本身就是一个多学科的挑战,会使用到银河化学的进化模拟、二元群体合成模型以及核合成计算等方面内容,旨在确定有哪些天体世间对它的形成带来了影响。最后,研究人员得出这样的结论:如果只是单纯的依靠这些合并,是无法解释通过r-过程所产生的所有元素的,即中子星并不是重元素的唯一来源。

只有了解形成了多少个恒星,才能获得元素创造的基础,并且还需结合不同的专业领域,这大概就是为什么会被称为“银河系”的研究领域考古学。科学家们正在研究这个难题的不同部分,为了找到宇宙中重金属的来源,研究人员一直没有放弃探测古老恒星的表面。为了解开宇宙中重金属的神秘面纱,在这项新研究中,还使用了星系形成的数值模拟,因为它可以追溯到大爆炸。与此同时,找到在早期宇宙中形成的金和其他重元素的痕迹,还观察了旧恒星的表面,以此来测量它们的化学成分。

碰撞确定了重元素起源的重要一步

碰撞的两颗中子星,一般会产生两种结果:在第一种情况下,恒星产生的元素,会比周期表上的镍和铁重,并且还会发射引力波(向内螺旋时),而处在这个宇宙时空的宇宙涟漪,则会从快速轨道的恒星中获取自己需要的能量,最后碰撞的中子星合并,便成了铂,铀和金等元素的来源。

科学家在引力波检测后,通过首次对GW170817进行了红外观测发现,那些形成的亚原子粒子中较重的元素被粉碎在了一起。研究人员在中子星的红外光谱中,看到了重元素的身影,并且很多材料被抛出,这对确定宇宙中重元素的起源打下了重要的基础。但是,至于这种碎片发生的频率、以及它们投射到星际空间的材料具体有多少并不清楚。

重元素影响高质量巨行星的形成

我们的宇宙历史拥有几个明确的时代,比如其中的星系开始形成行星的点。由于这些重元素必须由宇宙中的第一颗恒星产生,所以,第一颗行星也只能在后代恒星周围形成。科学家们了解第一个行星的形成、如何提供关于早期宇宙的重要信息,这对天文学的许多方面都会有较大的影响,其中甚至包括寻找地外生命。

科学家们通过观察表明,光蒸发似乎是其中主要的过程。数据结果显示,更高金属度的盘能更好地“屏蔽”主星的辐射蒸发,也就是说低的金属度盘只有较短的寿命;反之,具有较高金属度的圆盘,更倾向于形成更多的高质量巨行星。这两句话简洁明了的概括重金属和行星形成之间的关系,对于行星的形成而言,有一个重要考虑因素,那就是星形盘周围气体和尘埃的分散速率。一颗巨大而密集的行星,可以形成一颗恒星和超新星,并富含大量重元素的天然气,而这个量级至少可以达到太阳的10%。

距主星的距离函数之临界金属度

为何说临界金属度也是距主星的距离的函数?因为灰尘颗粒的稳定时间,主要取决于两个因素,它们分别是盘的温度和密度,而这些因素又和主星的距离有关。科学家们需要解决的第一个问题是:行星的形成到底需要多少临界金属度。研究人员对盘中尘粒沉降需要的时间,和盘的寿命进行了对比。

科学家们发现了一个普遍的结果:盘的寿命不会被尘埃颗粒沉降所需要的时间超越。当然,在两者的数据比对过程中,也涉及到了一些假设。其中的一个假设是表面金属度相同,即主恒星的表面与和它的行星形成的原恒星盘的表面。另外,研究人员还采用圆形行星轨道,如果轨道高度偏心,那么数据和理论预测进行比较会变得更加困难。

而后,研究人员有了另一个假设,即行星没有从磁盘中的初始出生地、向内迁移到它们的恒星。由此发现,只有当原星盘中达到最小金属度时,才足以形成星子。换而言之,当恒星的重元素浓度较低、或天文学科学家的术语中“金属度” 较低时,围绕年轻恒星的尘埃盘并不能存活多久,而寿命缩短的原因,很可能是来自恒星的光让尘埃云蒸发了。

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