研究表明宇宙裂变可能在重元素的形成过程中发挥了作用

研究表明宇宙裂变可能在重元素的形成过程中发挥了作用裂变模型发现了以前从未在恒星中直接观测到的核过程的清晰指纹。元素周期表中铁以上的元素被认为是在大爆炸中产生的，如两颗中子星合并或在罕见的超新星中。新的研究表明，裂变可能是宇宙中重元素产生的过程。研究人员梳理了存在于非常古老恒星中的各种元素的数据，发现了裂变的潜在特征，表明自然界很可能产生超出元素周期表中最重元素的超重原子核。洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家、《科学》杂志上一篇介绍这项研究的论文的共同作者马修-芒鲍尔（MatthewMumpower）说："人们一直认为裂变发生在宇宙中，但到目前为止，还没有人能证明这一点。"Mumpower说，研究人员利用最新的观测结果发现，银等轻型精密金属与铕等稀土原子核之间存在关联。当其中一组元素上升时，另一组中的相应元素也会上升--这种相关性是正的。两颗中子星的合并是通过快速中子捕获过程合成元素周期表中较重元素的主要候选地点之一。图中显示的是两颗中子星碰撞释放出中子，放射性原子核迅速捕获这些中子。中子俘获和放射性衰变的结合随后产生了较重的元素。整个过程据信发生在一秒钟之内。资料来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室（马修-蒙帕尔）"令人难以置信的"裂变证据Mumpower说："在不同的恒星中出现这种情况的唯一可能就是在重元素形成过程中存在一个一致的过程。研究小组测试了所有的可能性，而裂变是能够再现这一趋势的唯一解释。这是令人难以置信的深远意义，是宇宙中裂变运行的第一个证据，证实了我们几年前提出的理论。随着我们获得更多的观测数据，宇宙在说，嘿，这里有一个特征，它只能来自裂变。"研究还表明，原子质量（质子数加中子数）为260的元素可能存在，这比元素周期表中的高端元素更重。Mumpower开发了用于预测和指导观测发现的裂变模型，该模型由研究作者、北卡罗来纳州立大学的伊恩-罗德勒（IanRoederer）领导。长期以来，天体物理学家一直认为铁以外的重元素是在被称为超新星的恒星爆炸或两颗中子星合并时形成的。顾名思义，后者主要由中子组成，中子与质子共同构成所有原子的原子核。通过被称为"r过程"的快速中子俘获过程，原子核抓住中子形成更重的元素。至于有些原子会不会因为太重而无法保持在一起而分裂，或者裂变，形成两个较轻但仍然很重的元素原子（并释放出巨大的能量），半个世纪以来一直是个谜。在2020年的一篇论文中，Mumpower首次预测了r过程原子核的裂变碎片分布。随后，TRIUMF的合作者尼科尔-瓦什（NicoleVassh）领导的一项研究预测了轻型精密金属和稀土原子核的共同产生。钌、铑、钯和银等元素以及铕、钆、镝和钬等元素的共同产生，可以通过将预测与恒星集合中的元素丰度进行比较来检验。Roederer领导的新分析梳理了来自42颗恒星的观测数据，准确地发现了预测的相关性。这种模式提供了裂变产生这些元素的明显特征，以及元素周期表中稍重、稍高的元素的类似模式。"在我们拥有足够数据的r过程增强恒星中，这种相关性非常强大。每当大自然产生一个银原子时，它也会按比例产生更重的稀土原子核。这些元素群的组成是同步的，"Mumpower说。"我们已经证明，只有一种机制能对此负责--裂变，而人们从20世纪50年代起就一直在为此绞尽脑汁。"从"库存管理"到"星空""在洛斯阿拉莫斯，我们开发了核裂变模型，因为作为实验室任务的一部分，我们无法测量所有与武器研究相关的东西，"Mumpower说。"这些模型让物理学家能够解释实验，并在缺乏测量时填补数据。自1992年美国停止核武器试验以来，有关裂变的实验数据一直很有限。与测量数据相比，模型的表现非常出色，因此，在没有测量数据的情况下，模型的推断结果是可信的。研究重元素的形成需要短寿命和长寿命物种的核输入。裂变当量是将相对较重的原子分裂成较轻原子的过程的产物--与核武器和反应堆中使用的过程相同。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403019.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403019.htm

突破元素周期表的极限："超重"元素挑战理论

突破元素周期表的极限："超重"元素挑战理论来自新西兰梅西大学（MasseyUniversity）、德国美因茨大学（UniversityofMainz）、法国索邦大学（SorbonneUniversity）和稀有同位素加速器（FRIB）的科学家们讨论了元素周期表的极限，并结合超重元素研究的最新进展对"稳定岛"的概念进行了修正。他们的工作是2024年2月《自然-物理学评论》的封面专题。除了《自然-物理评论》的专题报道外，《物理报告》还发表了一篇关于超重元素原子电子结构理论的评论。寻找超重元素什么是最重的结合原子核和最重的结合原子，它们有什么特性？质子数超过103个的化学元素核被称为"超重核"。它们是科学家们正在努力揭示的这些原子核的广阔未知领域的一部分。探索这一未知领域为连接广泛科学领域的发现提供了前景。目前正在建造的新的实验设施可以帮助科学家揭示原子及其原子核在电子、质子和中子数量非常大的情况下的特性。这些设施将在原子序数和质量的极限上创造出新的元素和核素。研究图片。图片来源：《自然-物理评论》2024年2月刊，封面设计：SusanneHarris超重原子核的产生率极低。从这些实验中获得的物理和化学数据表明，超重原子核偏离了轻元素和同位素。这让科学家们质疑，元素周期表和核素表的边界还能扩大多少。评估是否存在"扩展稳定半岛"也是一个科学目标，在这个半岛上，超重原子核的寿命可能超过迄今为止发现的寿命极短的原子核。超重元素的理论进展与未来此外，原子结构理论的进展集中于超重元素及其预测的电子基态构型，这对元素在周期表中的位置非常重要。"由于存在巨大的静电力，超重原子中的电子以接近光速的速度运动，"论文作者之一、约翰-A-汉纳物理学特聘教授、FRIB首席科学家维特克-纳扎雷维茨（WitekNazarewicz）说。"超重原子核中非常强的库仑力也会产生新的效应。这对原子和核理论来说是一场新的球赛"。在FRIB，科学家们将研究如何更接近位于稳定性增强区域的超重原子核。许多超重核目前无法测量，因此有关它们的信息必须来自理论推断。FRIB的核理论家利用高性能计算和机器学习辅助下的先进模型对超重核进行预测。研究元素周期表和超重区的核状况将产生新的想法和方法，对核物理学、原子物理学、天体物理学和化学产生影响。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425709.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425709.htm

宇宙炼金术：3D模型揭示千新星制造重元素的秘密

宇宙炼金术：3D模型揭示千新星制造重元素的秘密合并时的两颗中子星。三维计算机模拟技术的最新进展让人们对中子星合并后发出的光线有了更深入的了解。这些模拟对于了解比铁更重的元素的起源至关重要。资料来源：DanaBerrySkyWorksDigital,Inc.GSI/FAIR科学家、《天体物理学杂志通讯》（TheAstrophysicalJournalLetters）上这篇论文的主要作者卢克-J-辛格斯（LukeJ.Shingles）说："我们的模拟结果与观测到的千新星AT2017gfo之间前所未有的吻合表明，我们大致了解了爆炸和爆炸后发生了什么。最近结合引力波和可见光进行的观测表明，中子星合并是产生这种元素的主要场所。"辐射转移模拟背后的力学原理中子星合并时喷射出的物质中电子、离子和光子之间的相互作用决定了我们能通过望远镜看到的光。这些过程和发射的光都可以用辐射传递的计算机模拟来建模。研究人员最近首次制作了一个三维模拟，该模拟能够自洽地跟踪中子星合并、中子俘获核合成、放射性衰变沉积的能量以及重元素数千万次原子跃迁的辐射传递。极震区作为一个三维模型，观测到的光线可以在任何观察方向上进行预测。当观察方向几乎垂直于两颗中子星的轨道平面时（如观测证据显示的千新星AT2017gfo），该模型预测出的光谱分布序列与观测到的AT2017gfo极为相似。Shingles说："这一领域的研究将有助于我们了解比铁更重的元素（如铂和金）的起源，这些元素主要是由中子星合并中的快速中子俘获过程产生的。"千新星的三维模拟结果资料来源：LukeJ.Shinglesetal2023ApJL954L41大约有一半比铁重的元素是在极端温度和中子密度的环境中产生的，就像两颗中子星相互合并时产生的那样。当两颗中子星最终相互旋进并凝聚在一起时，所产生的爆炸会导致物质喷射出来，在适当的条件下，通过一连串的中子俘获和β衰变，产生不稳定的富中子重核。这些核子衰变到稳定状态，释放出的能量为爆炸性的"千新星"瞬态提供了动力，这种明亮的光发射在大约一周内迅速消退。三维模拟结合了多个物理学领域，包括高密度下的物质行为、不稳定重核的特性以及重元素的原子-光相互作用。进一步的挑战依然存在，例如计算光谱分布的变化率，以及描述晚期喷出的物质。这一领域未来的进展将提高我们预测和理解光谱特征的精确度，并将进一步加深我们对重元素合成条件的理解。这些模型的一个基本要素是高质量的原子和核实验数据，FAIR设备将提供这些数据。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391441.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391441.htm

天文学家分析中子星合并过程 揭开宇宙重元素诞生的原理

天文学家分析中子星合并过程揭开宇宙重元素诞生的原理这次大爆炸释放出了一个伽马射线暴--GRB230307A，是50年观测中第二亮的伽马射线暴，比一般的伽马射线暴亮1000倍左右。GRB230307A于2023年3月7日首次被美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜探测到。科学家们利用多台太空和地面望远镜，包括美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JamesWebbSpaceTelescope）--有史以来发射到太空的最大、最强大的望远镜--能够在天空中精确定位伽马射线暴的源头，并追踪其亮度的变化情况。根据收集到的信息，研究人员确定这次爆发是两颗中子星在距离地球10亿光年的星系中合并形成千新星的结果。研究人员观察到了碲的证据，碲是地球上最稀有的元素之一。这一突破性发现使天文学家离解开比铁更重的元素的起源之谜又近了一步。"我是一名高能天体物理学家。我喜欢爆炸。我喜欢爆炸产生的伽马射线。但我也是一个真正关心基本问题的天文学家，比如重元素是如何形成的，"哈特曼说。克莱姆森大学物理和天文学系教授迪特尔-哈特曼。资料来源：克莱姆森大学伽马射线暴（GRBs）是伽马射线光的爆发，是光中能量最高的一种，持续时间从几秒到几分钟不等。最早的伽玛射线暴是在20世纪60年代由用于监测核试验的卫星探测到的。全球红外探测器的成因各不相同。长持续时间的全球记录光暴发是由超新星引起的，超新星是指一颗大质量恒星到达其生命尽头并爆发出光的时刻。持续时间较短的古雷暴是由两颗中子星合并（称为千新星）或一颗中子星和一个黑洞合并产生的。虽然GRB230307A只持续了200秒，但科学家们看到余辉的颜色从蓝色变成了红色，这是千新星的特征。"爆发本身实际上表明这是一个持续时间很长的事件，它应该是一个正常的超新星类型。但它有不寻常的特征。它不太符合长爆发的模式，"哈特曼说。"事实证明，这个放射性云团，这个千新星余辉，其中有所有这些核合成指纹，是双星合并的特征。令人兴奋的是，我们利用韦伯望远镜识别出了一种化学指纹，我们原本以为这种指纹会出现在短爆发中，但却在长爆发中看到了它。"哈特曼说，宇宙大爆炸产生了氢和氦。所有其他元素都是由恒星和星际介质中的过程产生的。"有些恒星的质量大到足以爆炸，它们会把这些物质送回气态环境，然后再制造新的恒星。因此，宇宙中存在着一种循环，它使我们的碳、氮、氧以及我们所需的所有物质变得更加丰富，我们称恒星为宇宙的大锅。"热核反应或聚变使恒星闪闪发光，这导致了更多重元素的相继产生。他说，轮到铁的时候，就没有多少能量可以挤出来了。那么，金和铀等重元素从何而来？"重元素有着特殊的起源。主要有两个过程。一个叫做快速过程，另一个叫做慢速过程。哈特曼说："我们认为r过程发生在那些中子星合并中。"理论建模表明千新星当中应该产生碲，但詹姆斯-韦伯太空望远镜探测到的光谱线提供了实验证据。光谱线是连续光谱中的一条暗线或亮线。它是由原子或离子内部的跃迁产生的。哈特曼说："我们认为这是一个相当可靠的鉴定，但并不能够像法庭上所说的那样排除合理怀疑。"研究的详细结果见科学杂志《自然》上发表的题为"JWST观测到的紧凑天体合并中的重元素生成"的论文：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06759-1编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422941.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422941.htm

史上最亮伽玛射线暴GRB 221009A正在挑战元素形成理论

史上最亮伽玛射线暴GRB221009A正在挑战元素形成理论艺术家绘制的GRB221009A可视图，显示了产生GRB的狭长相对论喷流--从中央黑洞喷出--以及通过超新星爆炸喷出的原始恒星不断膨胀的残骸。西北大学博士后研究员彼得-布兰查德（PeterBlanchard）和他的团队利用詹姆斯-韦伯太空望远镜首次探测到了这颗超新星，证实了GRB221009A是一颗大质量恒星坍缩的结果。该研究的合著者还发现，该事件发生在其宿主星系的密集恒星形成区域，如背景星云所描绘的那样。图片来源：AaronM.Geller/Northwestern/CIERA/ITResearchComputingandDataServices研究人员推测，铂和金等重元素的证据可能就存在于这颗新发现的超新星中。然而，广泛的搜索并没有发现这类元素的特征。宇宙中重元素的起源仍然是天文学最大的悬而未决的问题之一。这项研究成果于4月12日发表在《自然-天文学》杂志上。西北大学的彼得-布兰查德（PeterBlanchard）是这项研究的负责人，他说："当我们确认GRB是由一颗大质量恒星的坍缩产生的时候，我们就有机会检验宇宙中一些最重元素是如何形成的。我们没有看到这些重元素的特征，这表明像B.O.A.T.这样能量极高的GRB不会产生这些元素。这并不意味着所有的GRB都不会产生这些元素，但这是我们继续了解这些重元素来源的一个关键信息。JWST未来的观测将确定B.O.A.T.的'正常'表兄弟是否会产生这些元素。"布兰查德是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的博士后，研究超光速超新星和GRB。这项研究的共同作者来自哈佛大学天体物理学中心和史密森尼天文台、犹他大学、宾夕法尼亚州立大学、加州大学伯克利分校、荷兰Radbound大学、太空望远镜科学研究所、亚利桑那大学/斯图尔特天文台、加州大学圣巴巴拉分校、哥伦比亚大学、Flatiron研究所、格赖夫斯瓦尔德大学和圭尔夫大学。第二作者、哈佛大学天体物理学中心（CenterforAstrophysicsHarvard&Smithsonian）的阿什利-维拉尔（AshleyVillar）说："这一事件尤其令人兴奋，因为有人曾假设，像B.O.A.T.这样的高能伽马射线暴可能会产生大量的重元素，比如金和铂。"如果他们是正确的，B.O.A.T.应该是一座金矿。令人震惊的是，我们并没有看到这些重元素的任何证据。"B.O.A.T.的诞生2022年10月9日，当它的光芒照耀地球时，B.O.A.T.是如此明亮，以至于世界上大多数伽马射线探测器都被它的光芒所淹没。这次强烈的爆炸发生在距离地球约20亿光年远的人马座方向，持续了几百秒钟。当天文学家们争先恐后地观测这一令人难以置信的明亮现象的起源时，他们立刻被一种敬畏感所击中。西北大学温伯格艺术与科学学院物理学和天文学副教授、CIERA成员方文辉当时说："只要我们能够探测到GRB，那么毫无疑问，这个GRB是我们目睹过的最亮的GRB，亮度达到了10倍或更多。"布兰查德说："这次事件产生了一些专门用于探测伽马射线的卫星所记录到的最高能量的光子。这是地球每一万年才能看到一次的事件。我们很幸运生活在这样一个时代，我们拥有探测宇宙中发生的这些爆发的技术。能够观测到B.O.A.T.这样罕见的天文现象，并努力了解这一特殊事件背后的物理学原理，实在是太令人兴奋了。"一颗"正常"超新星布兰查德、维拉尔和他们的团队并没有立即对这一事件进行观测，而是希望在它的后期阶段对其进行观测。在最初探测到伽马射线暴约六个月后，布兰查德和维拉尔利用JWST对其后期进行了观测。布兰查德说："GRB是如此明亮，以至于在爆发后的最初几周和几个月里，它掩盖了任何潜在的超新星特征。在这些时间里，GRB的所谓余辉就像一辆汽车的前大灯直射向你，让你无法看到汽车本身。因此，我们必须等待余辉明显减弱，才有机会看到超新星。"维拉尔说："我们很幸运，因为JWST刚刚发射，可以进行这些观测。银河恰好位于B.O.A.T.的前方，它的尘埃挡住了我们通常能看到的所有蓝光。JWST可以穿透这些尘埃，让我们看到令人难以置信的红外线。"研究小组利用JWST的近红外摄谱仪发现了超新星中钙和氧等元素的典型特征。令人惊讶的是，它并不特别明亮--就像它所伴随的亮度惊人的GRB一样。布兰查德说："它并不比以前的超新星更亮。与其他能量较低的GRB相关的超新星相比，它看起来相当正常。你可能会认为，产生高能量和高亮度GRB的同一颗坍缩恒星也会产生高能量和高亮度的超新星。但事实证明并非如此。我们看到的这个GRB亮度极高，但却是一颗普通的超新星。"失踪：重元素在首次确认了超新星的存在之后，布兰查德和他的合作者接着寻找其中重元素的证据。目前，天体物理学家对宇宙中能够产生比铁更重的元素的所有机制的了解还不全面。产生重元素的主要机制--快速中子俘获过程需要高浓度的中子。迄今为止，天体物理学家只在两颗中子星的合并中证实了通过这一过程产生重元素，激光干涉引力波天文台（LIGO）在2017年探测到了这一碰撞。但科学家们说，一定还有其他方法可以产生这些难以捉摸的物质。宇宙中的重元素实在太多了，而中子星合并却太少。"很可能还有另一个来源，"布兰查德说。"双中子星合并需要很长的时间。双星系统中的两颗恒星首先必须爆炸，留下中子星。然后，这两颗中子星需要数十亿年的时间慢慢靠近，最终合并。但是，对非常古老恒星的观测表明，在大多数双中子星来得及合并之前，宇宙的某些部分就已经富含重金属了。这为我们指出了另一种渠道。"天体物理学家推测，重元素也可能是由快速旋转的大质量恒星坍缩产生的，而这种恒星正是产生B.O.A.T.的恒星。利用JWST获得的红外光谱，布兰查德研究了超新星的内层，重元素应该是在这里形成的。"恒星的爆炸物质在早期是不透明的，所以你只能看到外层，"布兰查德说。"但一旦它膨胀并冷却，就会变得透明。然后你就能看到来自超新星内层的光子了。此外，不同元素吸收和发射的光子波长不同，这取决于它们的原子结构，因此每种元素都有独特的光谱特征，因此，通过观察天体的光谱，我们可以知道天体中含有哪些元素。在检查B.O.A.T.的光谱时，我们没有看到任何重元素的特征，这表明像GRB221009A这样的极端事件并不是主要来源。在我们继续尝试确定最重元素形成的地方时，这是至关重要的信息。"为何如此明亮？为了将超新星的光线与它之前的明亮余辉的光线区分开来，研究人员将JWST的数据与智利阿塔卡马大毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）的观测数据进行了配对。"即使在爆发被发现几个月后，余辉的亮度也足以在JWST光谱中贡献大量的光，"犹他大学物理和天文学助理教授、该研究的合著者TanmoyLaskar说。"结合两台望远镜的数据，有助于我们准确测量JWST观测时余辉的亮度，使我们能够仔细提取超新星的光谱"。虽然天体物理学家们还没有发现一颗"普通"超新星和破纪录的GRB是如何由同一颗坍缩恒星产生的，但拉斯卡尔说，这可能与相对论射流的形状和结构有关。当快速旋转的大质量恒星坍缩成黑洞时，它们会产生物质喷流，以接近光速的速度喷出。如果这些喷流很窄，就会产生更集中、更明亮的光束。拉斯卡尔说："这就像把手电筒的光束聚焦到一个狭窄的柱子上，而不是把宽大的光束冲过整面墙。事实上，这是迄今为止看到的伽马射线暴中最窄的射流之一，这给了我们一个提示，为什么余辉会如此明亮。可能还有其他因素，研究人员将在未来几年研究这个问题。"未来对B.O.A.T.所在星系的研究也可能提供更多线索。PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427583.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427583.htm

天文学家观察灾难性的中子星合并 以了解宇宙中元素的起源

天文学家观察灾难性的中子星合并以了解宇宙中元素的起源尽管如此，科学家们还没有确定中子星合并产生的确切元素，只有锶除外，它已经在光学光谱中被确定。东北大学研究生院的研究生和日本科学促进会（JSPS）的研究员NanaeDomoto带领一个研究小组，仔细分析了所有重元素的特性，以解码来自中子星合并的光谱，结果显示，稀土元素的合成在中子星合并的数据中得到证实。千新星（一类发生于双致密天体并合过程中的暂现天文事件）的观测光谱（灰色）和本研究中获得的模型光谱（蓝色）。左边的数字表示中子星合并发生后的天数。虚线表示吸收线的特征。产生这些特征的元素的名称与虚线的颜色相同。为了直观起见，光谱被垂直移位了。观察到的1400纳米和1800-1900纳米左右的光谱受到地球大气层的影响。资料来源：NanaeDomoto他们以此来研究来自GW170817的千新星--由合并过程中喷出的新鲜合成核的放射性衰变引起的明亮光谱。基于对日本国家天文台的超级计算机"ATRUIII"产生的详细千新星光谱模拟的比较，研究人员发现，稀有元素镧和铈可能再现了2017年见证的近红外光谱特征。需要注意的是，到目前为止，稀土元素的存在只是根据千禧年的整体亮度演变来假设的，而不是从光谱特征来假设的。"这是第一次在中子星合并的光谱中直接确定稀有元素，它推进了我们对宇宙中元素起源的理解，"Dotomo说。"这项研究使用了一个简单的喷出物质模型。展望未来，我们希望考虑到多维结构，以掌握恒星碰撞时发生的更大的情况。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1334365.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1334365.htm