研究:新生黑洞可製造金銀等重元素 擁太陽質量 1–10% 圓盤黑洞為最佳場所

宇宙製造重元素的方法,可能比我們想象的多。最新刊於《皇家天文學會月刊》的研究指,金、銀、釷和鈾等金屬,可以環繞著一個活躍的新生黑洞旋渦混沌中形成。

過去已知金、銀、釷和鈾的產生需要能量條件,例如超新星爆炸或中子星之間的碰撞。是次研究則指,新生黑洞周圍空間的塵埃和氣體會被吞噬,而該極端環境中,中微子 (neutrino) 的高發出率應該會促進質子 (proton) 向中子 (neutron) 的轉化,產生製造重元素過程所需的中子過量。

領導研究的德國亥姆霍茲重離子研究中心 (GSI) 天體物理學家 Oliver Just 指出,團隊在研究中首次通過精密電腦模型有系統地調查到大量黑洞圓盤的中子和質子轉化率。團隊發現,只要滿足特定條件,這些圓盤就含有非常多的中子。

大爆炸後不久宇宙只有氫和氦

在大爆炸之後不久,周圍漂浮的元素並不多。在恆星誕生並開始在其核心中粉碎原子核之前,宇宙主要由氫和氦組成。

恆星核聚變為宇宙注入了更重的元素,從碳一直到最大質量恆星的鐵,當恆星死亡時便會將這些元素釋出至太空中。

不過,鐵是恆星核心融合的障礙。通過聚變產生鐵所需的熱量和能量超過了該過程產生的能量,導致恆星核心溫度下降,從而導致恆星在超新星爆炸中死亡。

超新星爆炸正是重元素融合的地方;爆炸的能量太大,以至於原子在力的作用下碰撞,可以互相捕獲中子,即快中子捕獲過程 (r-process) ;該過程需要非常迅速地發生,因此可在更多的中子被添加到原子核之前,令放射性衰變無時間發生。

新黑洞形成有足夠能量製造重元素

目前還不清楚是否還有其他場景可以發生快中子捕獲過程,但新生黑洞是一個潛在地方。因為當兩顆中子星合併時,其組合出的質量足以將新形成的物體歸類為黑洞;坍縮星 (collapsar) 是另一種可能性,坍縮星是指大質量恆星的核心在引力作用下坍縮成恆星質量的黑洞。

在這兩種情況下,新黑洞都被認為是被一個密度高、熾熱的物質環包圍著,圍繞黑洞旋轉並被吞噬於其中。在這些環境中,中微子會被大量釋放,天文學家長期以來一直假設可能會因此發生快中子捕獲過程的核合成。

Just 的團隊進行大量模擬,以確定情況是否確實如此。他們在模型中改變黑洞質量和自旋、其周圍物質的質量,以及不同參數對中微子的影響。他們發現,如果條件恰到好處,可以在這些環境中進行快中子捕獲過程核合成。

Just 指,當中的決定因素是黑洞圓盤的總質量。圓盤越大,中子通過中微子發射捕獲電子形成的中子就越頻繁,並且可透過快中子捕獲過程合成重元素。

然而,如果圓盤質量太高,逆反應會產生更大作用,因此更多的中微子在離開圓盤前被中子重新捕獲。然後這些中子被轉換回質子,阻礙快中子捕獲過程。

團隊指,產生重元素的最佳地方是質量為太陽質量 1–10% 的圓盤。這意味著在這個範圍內與盤面質量合併的中子星可能是「重元素工廠」。團隊補充,由於尚不清楚塌陷星圓盤的常見程度,因此對於製造重元素的塌陷星圓盤質量所需尚無定論。

團隊下一步將是確定如何使用中子星碰撞發出的光來計算其吸積盤的質量。

來源:
Science Alert, Black Holes Could Be Inadvertently Making Gold, Astrophysicists Say, 16 November 2021

報告:
Just, O., Goriely, S., Janka, H-Th. & et al. (2021). Neutrino absorption and other physics dependencies in neutrino-cooled black hole accretion discs. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 509, Issue 1, January 2022, Pages 1377–1412. doi: 10.1093/mnras/stab2861

文/Alan Chiu

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