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中国科学院近代物理研究所核物理中心研究员金仕纶与合作者,提出了新的超铁元素核合成机制。8月20日,相关研究成果发表在《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)上。
宇宙中,比铁更重的元素被称为超铁元素。超铁元素的起源是21世纪物理学研究领域的未解之谜。宇宙中,恒星内部的熔合燃烧可以产生最重到铁附近的元素,而超铁元素则只能来自于更高温度、更高密度环境下的爆发性天体环境。快中子俘获过程(r-过程)被认为产生了约一半的超铁元素。这一过程是核天体物理领域的前沿热点。
2017年,科学家通过引力波及随后的电磁信号确定双中子星合并事件发生了r-过程。这是目前唯一被实验证实的r-过程发生地点。然而,有研究发现,目前的理论不能全面地解释观测现象,如产生的稀土元素的含量少于宇宙中大量贫金属星的观测值。因此,研究其他r-过程地点显得尤为重要。当前,理论学家认为r-过程可能发生于坍缩星和磁转动超新星爆发。
该研究提出了共有包层喷射流超新星爆发(CEJSNe)发生r-过程的核合成机制及特征。一个双星系统在生命的末期会分别成为中子星和红超巨星。红超巨星吞噬中子星后,其核芯物质开始被中子星吸积,随着吸积不断加剧,最终喷射流向两极发射。这一高温高密的喷射流迅速冷却为r-过程提供了适宜的发生环境。
研究显示,CEJSNe是目前最强的超镧元素合成地点。研究在提取了被标定为r-过程增强星的天文观测量及相关理论模型值后发现,CEJSNe与其他理论模型呈现出很好的反关联关系。这表明丰富的稀土元素和超镧元素不能同时出现在同一次r-过程核合成中。同时,研究提出,如果没有CEJSNe,r-过程增强星的观测值将很难被理论模型解释。因此,该研究提升了r-过程核合成理论的完备性。
超铁元素核合成新场景和新机制的提出,为进一步揭示r-过程核合成特征奠定了基础。未来,科学家有望利用强流重离子加速器等装置产生r-过程路径的原子核,并开展关键物理量的相关研究,从而更深入地研究超铁元素起源问题的本质。
研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院基础研究领域稳定支持青年团队计划、中国科学院“西部之光”人才培养计划的支持。
共有包层喷射流超新星爆发艺术图
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