一個(gè)神秘的信號(hào)

2004年12月，天文學(xué)家探測(cè)到一束異常明亮的輻射。他們很快就鎖定了其來(lái)源——一顆釋放出巨大耀發(fā)的磁陀星：SGR 1806–20。

磁陀星是一類(lèi)擁有超強(qiáng)磁場(chǎng)的中子星，其磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)地球的數(shù)萬(wàn)億倍。雖然那次耀發(fā)僅持續(xù)了幾秒鐘，但它釋放的能量卻超過(guò)了太陽(yáng)百萬(wàn)年所能釋放的總和。奇特的是，在耀發(fā)約10分鐘后，天文學(xué)家又探測(cè)到來(lái)自這顆磁陀星的第二個(gè)、較弱的信號(hào)，持續(xù)數(shù)小時(shí)。天文學(xué)家對(duì)這一信號(hào)的成因一直缺乏合理解釋?zhuān)蔀樘祗w物理學(xué)中的一個(gè)謎團(tuán)。

在一項(xiàng)于近期發(fā)表的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種此前未知的重元素形成機(jī)制，可用于解釋金、鉑、鈾等宇宙中最重的原子的起源。他們的計(jì)算表明，一顆磁陀星在一次巨大耀發(fā)中，就可能一次性合成出相當(dāng)于27個(gè)“月球質(zhì)量”的重元素。而這個(gè)機(jī)制，恰好可用于解釋20年前磁陀星耀發(fā)后出現(xiàn)的那個(gè)“神秘信號(hào)”。

宇宙中的重元素

我們?nèi)粘Ｋ煜さ脑S多元素，并非自宇宙誕生之初就存在。氫、氦和少量鋰是在大爆炸中生成的，而幾乎所有更重的元素，則都是在恒星內(nèi)部或其劇烈死亡過(guò)程中逐步合成的。

對(duì)于較輕元素的起源，科學(xué)界已有了較為全面的理解；但對(duì)于那些比鐵更重的元素（如金、鈾、鍶等）究竟如何形成，仍存在不少未解之處。當(dāng)前研究表明，宇宙中這些比鐵更重的元素中，大約有一半是通過(guò)快中子俘獲過(guò)程（r過(guò)程）產(chǎn)生的。

r過(guò)程的發(fā)生需要充滿(mǎn)大量自由中子的極端環(huán)境，而這類(lèi)條件只在如超新星爆發(fā)、中子星并合等劇烈天體時(shí)間中。中子星是超新星爆發(fā)后留下的致密遺跡，其密度極高，一茶匙的中子星質(zhì)量可超出10億噸。

2017年，科學(xué)家通過(guò)觀測(cè)，證實(shí)了兩顆中子星碰撞并合，能提供合成r過(guò)程元素所需的富含自由中子的環(huán)境。這是科學(xué)家首次直接確認(rèn)r過(guò)程的發(fā)生地點(diǎn)。

然而，僅靠中子星并合不足以解釋目前觀測(cè)到的r過(guò)程元素豐度。因此，一些科學(xué)家開(kāi)始懷疑：磁陀星是否也是一個(gè)可能的來(lái)源？

磁陀星耀發(fā)

2024年，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)建模計(jì)算發(fā)現(xiàn)：磁陀星發(fā)生巨大耀發(fā)時(shí)，其殼中的物質(zhì)可能被噴射到太空中，在那里創(chuàng)造出r過(guò)程所需的極端環(huán)境。計(jì)算還顯示，在這些耀發(fā)中形成的不穩(wěn)定重放射性原子核，可在隨后衰變?yōu)榻鸬?strong>穩(wěn)定重元素，并同時(shí)釋放出高能伽馬射線(xiàn)。

令人驚訝的是，在新的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，而這些伽馬射線(xiàn)的特征——如能量分布、時(shí)間曲線(xiàn)等，與2004年SGR 1806–20耀發(fā)后出現(xiàn)的“第二次信號(hào)”高度吻合。多年來(lái)，這個(gè)幾乎被遺忘的信號(hào)，如今被認(rèn)為是金和鉑等r過(guò)程重元素形成的直接證據(jù)。

金和其他重元素的新來(lái)源。（圖片素材/Simons Foundation）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，2004年那次磁陀星耀發(fā)可能合成了大約2×102?千克的r過(guò)程重元素——這相當(dāng)于地球三分之一的質(zhì)量。據(jù)此推算，銀河系中約1%至10%的r過(guò)程元素可能來(lái)源于磁陀星耀發(fā)，其余則來(lái)自中子星并合。

r過(guò)程的未完成拼圖

長(zhǎng)期以來(lái)，磁陀星活動(dòng)與r過(guò)程研究屬于不同的研究領(lǐng)域，因此此前幾乎沒(méi)人將該信號(hào)與元素合成聯(lián)系起來(lái)。目前，由于天文學(xué)家僅有一例磁陀星耀發(fā)和一例中子星并合事件被明確證實(shí)與r過(guò)程元素的形成相關(guān)，因此尚難判斷二者的確切貢獻(xiàn)比例。

若要進(jìn)一步厘清這些比例，還需要觀測(cè)到更多的磁陀星耀發(fā)事件所產(chǎn)生的信號(hào)。此外，研究人員也強(qiáng)調(diào)，不能排除還存在第三種、甚至第四種尚未被發(fā)現(xiàn)的r過(guò)程形成機(jī)制。

一次飛躍

這是人類(lèi)第二次直接觀測(cè)到重元素形成的過(guò)程，第一次是2017年的中子星并合。新發(fā)現(xiàn)不僅是對(duì)2004年“神秘信號(hào)”的一次成功追溯，更是我們理解重元素起源的一大飛躍。

更具意義的是，磁陀星耀發(fā)可能在銀河系歷史的早期就已發(fā)生，從而解釋了為何在年輕星系中就已觀測(cè)到豐富的重元素——遠(yuǎn)超出了僅有中子星并合所能解釋的水平。磁陀星耀發(fā)或許就是缺失的那一環(huán)。

#參考來(lái)源：

https://www.simonsfoundation.org/2025/04/29/flares-from-magnetized-stars-can-forge-planets-worth-of-gold-other-heavy-elements/

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adc9b0

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：NASA/JPL-Caltech