科學家揭示超鐵元素核合成新機制

在浩瀚的宇宙中，元素的起源一直是科學家們探索的重要領域。尤其是比鐵更重的超鐵元素，它們的形成機制更是二十一世紀物理學的一大未解之謎。近日，中國科學院近代物理研究所核物理中心研究員金仕綸及其合作者，在這一領域取得了重要進展，提出了新的超鐵元素核合成機制，為解開這一宇宙奧秘提供了新的線索。相關成果發表在《天體物理學報》(The Astrophysical Journal)上。

超鐵元素起源之謎與挑戰

超鐵元素，即宇宙中比鐵更重的元素，它們的存在和起源一直是科學家們關注的焦點。在恒星內部，通過熔合燃燒過程可以產生到鐵附近的元素，然而超鐵元素的形成則需要更高溫度和更高密度的爆發性天體環境。

其中，快中子俘獲過程（r-過程）被認為是產生約一半超鐵元素的重要途徑。然而，盡管科學家們對r-過程進行了深入的研究，但目前的理論并不能全面解釋觀測現象。

2017年，科學家通過引力波及隨后的電磁信號確定了雙中子星合并事件(GW081708)發生了r-過程，這是目前唯一被實驗證實的r-過程發生地點。然而一系列研究表明，目前的理論并不能全面地解釋觀測現象，如產生的稀土元素的含量明顯少于宇宙中大量貧金屬星的觀測值。

“為了尋找答案，科學家們需要廣泛探索其他可能的r-過程發生地點。”金仕綸告訴《中國科學報》。

目前，除了已知的雙中子星合并事件外，理論學家認為r-過程還可能發生于坍縮星和磁轉動超新星爆發。

然而，這些理論模型仍然無法完全解釋觀測到的超鐵元素分布和含量。

超鐵元素核合成的新場景

在這項新研究中，金仕綸及其合作者首次提出了共有包層噴射流超新星爆發（CEJSNe）中發生r-過程的核合成機制及其特征。這一機制的提出，為解釋超鐵元素的起源提供了新的視角。

“當一個雙星系統在生命的末期分別演化成中子星和紅超巨星時，一場宇宙中的壯麗舞蹈即將上演。紅超巨星會吞噬中子星，形成一個緊密的雙星系統。”金仕綸表示，在這個過程中，中子星開始吸積紅超巨星的核芯物質。

隨著吸積的不斷加劇，中子星的引力逐漸占據上風，最終形成一個向兩極發射的高溫高密噴射流。這一噴射流迅速冷卻，為r-過程提供了適宜的發生環境。

研究團隊發現，CEJSNe是目前最強的超鑭元素合成地點。通過提取被標定為r-過程增強星的天文觀測量及相關理論模型值，他們進行了深入的分析和比較。研究發現，CEJSNe與其他理論模型呈現出很好的反關聯關系。這表明，豐富的稀土元素和超鑭元素不能同時出現在同一次r-過程核合成中。這一發現為解釋宇宙中稀土元素和超鑭元素的分布提供了新的線索。

更重要的是，如果沒有CEJSNe的貢獻，r-過程增強星的觀測值將很難被現有理論模型解釋。這表明，CEJSNe在超鐵元素核合成中扮演著至關重要的角色。這一研究成果不僅提升了r-過程核合成理論的完備性，也為未來的研究提供了新的方向和思路。

深入探索超鐵元素核合成的奧秘

超鐵元素核合成新場景和新機制的提出，對于進一步揭示r-過程核合成特征具有重要意義，也為人類探索宇宙奧秘提供了新的視角和工具。

然而，要深入理解這一機制并驗證其正確性，還需要更多的實驗和觀測數據支持。

“未來，科學家有望利用強流重離子加速器（HIAF）等先進裝置產生r-過程路徑的原子核，并開展關鍵物理量的相關研究。通過這些實驗，科學家們可以更直接地研究r-過程的發生和超鐵元素的形成過程，從而更深入地理解這一宇宙奧秘的本質。”金仕綸說。

此外，隨著天文觀測技術的不斷發展，科學家們也有望在未來的觀測中發現更多的CEJSNe事件，并對其進行詳細的研究和分析。這些觀測數據將為驗證和完善超鐵元素核合成新機制提供重要的依據和支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad5f8e

共有包層噴射流超新星爆發藝術圖。近代物理研究所供圖。