大多數比鐵輕的元素是在恆星的核心中形成的。恆星的白熱化中心為質子的聚變提供了動力，將它們擠壓在一起以形成逐漸變重的元素。但除了鐵之外，科學家們一直困惑於什麼會產生金、鉑和宇宙中其他的重元素，它們的形成需要比恆星所能提供的更多能量。
由麻省理工學院和新罕布什爾大學的研究人員展開的一項新研究發現，在兩個長期被懷疑的重金屬來源中，有一個比另一個更像是一個金礦。
今日發表在《Astrophysical Journal Letters》上的這項研究報告稱，在過去的25億年裡，在雙中子星合併（即兩顆中子星之間的碰撞）中產生的重金屬比在中子星和黑洞之間的合併中產生的更多。
這項研究是首次比較這兩種合併類型的重金屬產量，另外還表明雙中子星可能是我們今天看到的黃金、鉑金和其他重金屬的宇宙來源。這些發現還可以幫助科學家確定整個宇宙中重金屬的產生速度。
這項研究的論文首席作者、麻省理工學院卡夫里天體物理學和空間研究所的博士后Hsin-Yu Chen說道：“我們對我們的結果感到興奮的是，在某種程度上我們可以說雙中子星可能比中子星-黑洞合併更像是一個金礦。”
Chen的共同作者還包括來自麻省理工學院物理學助理教授Salvatore Vitale和UNH的Francois Foucart。
一個有效的閃光
當恆星進行核聚變時，它們需要能量來融合質子以形成更重的元素。恆星在攪動從氫到鐵的較輕元素方面是高效的。然而融合超過鐵中的26個質子，在能量上會變得低效。
Vitale說道：“如果你想超越鐵，建造更重的元素如金和鉑，那麼你需要用其他方式把質子扔在一起。”
科學家們已經懷疑超新星可能是一個答案。當一顆巨大的恆星在超新星中坍塌時可以想象其中心的鐵會跟極端落下的較輕元素結合以產生較重的元素。
然而在2017年，一個有前景的候選者得到了確認，其形式是雙中子星合併，分別由美國和意大利的引力波觀測站LIGO和Virgo首次探測到。探測器探測到了引力波或說是時空的漣漪，它源於距離地球1.3億光年的兩顆中子星之間的碰撞，中子星是大質量恆星坍縮的核心，其中充滿了中子，是宇宙中密度最大的物體之一。
宇宙的合併發出了閃光，其中含有重金屬的特徵。
Chen表示：“合併中產生的黃金的數量相當於地球質量的幾倍。這完全改變了情況。計算結果表明，跟超新星相比，雙中子星是創造重元素的一種更有效的方式。”
一個二進制的金礦
Chen和她的同事想知道中子星合併與中子星和黑洞之間的碰撞相比如何？這是被LIGO和Virgo探測到的另一種合併類型，有可能成為一個重金屬工廠。科學家們懷疑，在某些條件下，黑洞可能會擾亂中子星，使其在黑洞完全吞噬該星之前就會產生火花並噴出重金屬。
研究小組着手確定每種類型的合併通常可以產生多少黃金和其他重金屬。為了進行分析，他們把重點放在LIGO和Virgo迄今對兩個雙中子星合併和兩個中子星-黑洞合併的探測上。
研究人員首先估計了每次合併中每個物體的質量以及每個黑洞的旋轉速度。他們認為，如果一個黑洞的質量過大或過慢它就會在有機會產生重元素之前吞下一顆中子星。另外他們還確定了每個中子星對被破壞的抵抗力。一顆星的抵抗力越強它就越不可能攪動出重元素。他們還能根據LIGO、Virgo和其他觀測站的觀測結果，估算了一個合併跟另一個合併的發生頻率。
最後，研究小組使用Foucart開發的數值模擬計算出在天體的質量、旋轉、破壞程度和發生率的不同組合下，每次合併將產生的黃金和其他重金屬的平均數量。
平均而言，研究人員發現，雙中子星合併產生的重金屬比中子星和黑洞之間的合併多2到100倍。他們的分析所依據的四次合併估計是在過去25億年內發生的。他們得出的結論是，至少在這一時期，雙中子星合併產生的重金屬元素比中子星和黑洞之間的碰撞要多。
如果黑洞具有高自旋和低質量，天平就會傾向於中子星-黑洞合併。然而科學家們還沒有在迄今為止探測到的兩個合併中觀察到這些類型的黑洞。
Chen和她的同事們希望，隨着LIGO和Virgo明年恢復觀測，更多的探測將改善研究小組對每個合併產生重元素的速率的估計。這些速率，反過來可能會幫助科學家根據其各種元素的丰度來確定遙遠星系的年齡。
“你可以使用重金屬，就像我們使用碳來確定恐龍遺骸的日期一樣，”Vitale說道，“因為所有這些現象都有不同的內在速率和重元素的產量，這將影響你如何給一個星系附上時間戳。因此，這種研究可以改進這些分析。”