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大家好，我是魅力科學君，今天我們要聊的話題是：一項近日發表在《天體物理學雜志快報》的最新研究表明，宇宙中的黃金，可以由一種奇特的天體大量生成。好的，我們不說廢話，這就開講。 在過去的研究中，科學家已經知道，宇宙中的“超新星爆發”和中子星碰撞，可以產生大量的黃金。
其原理簡單來講就是，在這些事件中，會短暫地產生中子密度極高的環境，進而使“快中子俘獲”成為可能，顧名思義，“快中子俘獲”就是原子核在短時間迅速俘獲大量的中子，在此過程中，原子核會迅速增大并進行一系列衰變，從而生成大量比鐵更重的元素，其中也包括了黃金。 但問題在于，根據已知的觀測數據，以“超新星爆發”和中子星碰撞發生的頻率，并不足以完全解釋宇宙中黃金的豐度，換句話來講就是，如果僅憑這兩種機制，宇宙中不應該存在我們現在觀測到的這么多的黃金。
所以一個合理的推測就是，宇宙中應該還有其他的黃金生成機制，是什么呢？實際上，這正是此次研究的內容。根據研究人員的介紹，此次研究表明，宇宙中的黃金，可以由一種被稱為“磁星”（Magnetar）的奇特天體大量生成。 簡單來講，在大質量恒星發生“超新星爆發”的過程中，其核心的物質會被擠壓到極致，以至于電子和質子被壓在一起變成中子，進而形成一個極為致密的核心，這種核心通常都會在“超新星爆發”后“幸存”下來，并演化成一種主要由中子構成的致密天體。 這樣的天體被稱為“中子星”，它們的密度極高，其直徑通常只有10多公里，質量通常都在太陽質量的1.35到2.1倍之間。
而“磁星”則是“中子星家族”中的一種奇特的存在——它們不僅密度極高，還擁有極為強大的磁場，其磁場強度可以高達1千萬億高斯（10^15高斯），作為對比，我們地球的磁場強度，只有大約0.25至0.65高斯。 需要知道的是，“中子星”并不是全是由中子構成，通常來講，中子的質量約為其總質量的95%左右，其它的質量則主要來自一些原子核（例如鐵），除此之外，還有一些質子和電子，它們主要集中在“中子星”的外層。 作為“中子星”中的一員，“磁星”也不例外，它們也有一個由超高密度的原子核以及質子、電子構成的“地殼”。
但與其他“中子星”不同的是，“磁星”的“地殼”承受著內部極端的物質狀態和外部強大磁場的巨大壓力和扭曲，所以當達到一定程度時，它們的“地殼”就可能被撕裂，進而導致極為猛烈的震動，而這樣的現象，就是所謂的“星震”。 研究人員提出理論稱，當“磁星”發生“星震”時，其內部（特別是緊鄰“地殼”下方的區域）可能會被瞬間加熱到一個極高的溫度，并釋放出大量的中子，與此同時，其“地殼”中的原子核也會大量“松動”，但它們會被超強的磁場限制在一個有限的特定區域，這樣一來，這些原子核就可以通過“快中子俘獲”生成大量包括黃金在內的重元素。 不過這僅僅是第一步，因為這些“新生”的重元素必須被拋射到宇宙空間中，才能成為宇宙塵埃的一部分，最終參與到新恒星、行星的形成。而這個拋射過程，正是由伴隨“星震”發生的“巨型耀斑”（Giant Flare）完成的。
“巨型耀斑”是“磁星”的一種非常劇烈的爆發事件，它能在幾秒鐘內釋放出相當于太陽在幾萬年甚至幾十萬年內釋放的總能量，這種爆發會產生強大的伽馬射線暴和X射線暴，同時也會將“磁星”在“星震”中產生的那些重元素以極高的速度拋射到廣闊的宇宙空間中。 由于理論的提出需要觀測證據的支持，因此該研究團隊在提出了該理論后，就開始致力于尋找符合理論預測的觀測數據。 根據該理論的預測，如果“磁星”的“巨型耀斑”拋射了大量的重元素，那么在它們之中，就必然會存在很多不穩定重原子核，如此一來，其發生放射性衰變時就應該會產生特定的伽馬射線信號。 于是研究人員將目光鎖定在了發生在2004年12月27日的一次伽馬射線暴事件上，根據介紹，此次事件來自一顆名為“SGR 1806-20”的“磁星”上發生的“星震”所產生的“巨型耀斑”，它是人類有史以來探測到的最強、觀測數據最詳細的伽馬射線暴之一。
研究結果表明，此次事件的伽馬射線譜線特征，與理論預測的那些不穩定重原子核的衰變釋放出的伽馬射線信號幾乎“完美契合”，而這也就意味著，宇宙中的黃金，確實可以由這種奇特的天體大量生成。 根據估算，僅僅這一次“巨型耀斑”爆發，就產生了相當于地球質量大約3分之1的重元素（其中當然包括了大量的黃金）。 研究人員表示，這是一個驚人的數字，雖然“磁星”的“巨型耀斑”并不算常見，但考慮到宇宙的浩瀚及其漫長的歷史，即使是較低頻率的爆發，也能為宇宙貢獻可觀的黃金儲備，據此我們也就可以已知宇宙中的黃金豐度進行更加合理的解釋。 參考資料：Direct Evidence for r-process Nucleosynthesis in Delayed MeV Emission from the SGR 1806–20 Magnetar Giant Flare，The Astrophysical Journal Letters, Volume 984, Number 1，Published 2025 April 29，DOI 10.3847/2041-8213/adc9b0 |
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