大多数比铁轻的元素是在恒星的核心锻造出来的。恒星白热的中心为质子的聚变提供燃料，将它们挤压在一起，形成越来越重的元素。但除了铁之外，科学家们还在困惑是什么导致了金、铂和宇宙中其他重元素的产生，这些元素的形成所需的能量超过了一颗恒星所能积聚的能量。
麻省理工学院(MIT)和新罕布什尔大学(University of new Hampshire)的研究人员的一项新研究发现，在长期被怀疑的两种重金属来源中，一种比另一种更像金矿。
今天发表在《天体物理学杂志通讯》上的这项研究报告称，在过去25亿年里，在双中子星合并或两颗中子星碰撞中产生的重金属比中子星和黑洞合并时产生的重金属还要多。
这项研究是第一次比较两种合并类型的重金属产量，并表明，双中子星可能是我们今天看到的金、铂和其他重金属的宇宙来源。这些发现也可以帮助科学家确定重金属在宇宙中产生的速度。
“我们发现令人兴奋的是，在某种程度上，我们可以自信地说，双中子星可能比中子星黑洞合并更像一个金矿，”首席作者陈新宇说，他是麻省理工学院卡维里天体物理和空间研究所的博士后。
Chen的合著者是麻省理工学院物理学助理教授Salvatore Vitale和新罕布什尔大学的Francois Foucart。
一个高效的闪光
当恒星进行核聚变时，它们需要能量来融合质子以形成更重的元素。恒星能有效地产生从氢到铁等较轻的元素。然而，在铁原子中聚变超过26个质子，能量效率就会降低。
维塔莱说:“如果你想要超越铁元素，构建更重的元素，如金和铂，你需要其他的方式将质子扔到一起。”
科学家们怀疑超新星可能是答案。当一颗大质量恒星坍缩成超新星时，其中心的铁可能会在极端沉降物中与较轻的元素结合，产生较重的元素。
然而，在2017年，一个很有希望的候选者以双中子星合并的形式被证实了，这是LIGO和Virgo(分别位于美国和意大利的引力波天文台)首次探测到的。探测器捕捉到了引力波，或者说穿越时空的涟漪，引力波起源于距离地球1.3亿光年的两颗中子星之间的碰撞。中子星是大质量恒星坍缩的核心，充满了中子，是宇宙中密度最大的物体之一。
宇宙合并发出了一束闪光，其中含有重金属的特征。
“合并过程中产出的黄金数量相当于地球质量的几倍，”陈说。这完全改变了情况。数学计算表明，与超新星相比，双中子星是创造重元素的更有效方式。”
一个二进制金矿
Chen和她的同事想知道:中子星合并与中子星和黑洞的碰撞有什么不同?这是LIGO和Virgo已经探测到的另一种合并类型，可能是一个重金属工厂。科学家们怀疑，在特定的条件下，一个黑洞可能会破坏一颗中子星，在黑洞完全吞噬这颗恒星之前，它会发出火花并喷射出重金属。
该团队开始确定每一种类型的合并可能产生的黄金和其他重金属的数量。在他们的分析中，他们专注于LIGO和Virgo迄今为止对两个中子星合并和两个中子星-黑洞合并的探测。
研究人员首先估计了每次合并中每个物体的质量，以及每个黑洞的转速，他们认为，如果一个黑洞质量太大或太慢，它就会在中子星有机会产生重元素之前吞下它。他们还确定了每颗中子星对被干扰的抵抗能力。恒星的抵抗力越强，产生重元素的可能性就越小。他们还根据LIGO、Virgo和其他天文台的观测，估算了一次合并发生的频率。
最后，研究小组使用了Foucart开发的数值模拟，计算出每一次合并会产生的黄金和其他重金属的平均数量，并给出了物体质量、旋转、破坏程度和出现率的不同组合。
平均而言，研究人员发现，中子星双星合并产生的重金属比中子星和黑洞合并产生的重金属多出两到100倍。他们的分析所基于的四次合并估计发生在过去的25亿年间。他们得出结论，至少在这一时期，中子星双星合并产生的重元素比中子星和黑洞碰撞产生的重元素多。
如果黑洞有高自旋和低质量，那么天平可能会偏向中子星-黑洞合并。然而，迄今为止，科学家们还没有在这两个并合物中观测到这类黑洞。
Chen和她的同事们希望，随着LIGO和Virgo明年恢复观测，更多的探测将提高团队对每次合并产生重元素的速度的估计。反过来，这些速率可以帮助科学家根据各种元素的丰度来确定遥远星系的年龄。
“你可以像使用碳一样使用重金属来确定恐龙化石的年代，”维塔莱说。“因为所有这些现象都有不同的内在速率和重元素的产量，这将影响你如何将时间戳附加到一个星系上。因此，这类研究可以改进这些分析。”
这项研究的部分资金由美国宇航局、美国国家科学基金会和LIGO实验室提供。
