科学家们表示，他们在宇宙中发现了另一个黄金来源

几十年来，天文学家一直在试图确定黄金等最重元素的宇宙起源。现在，基于太空任务档案数据中发现的信号的新研究可能指向一个潜在的线索：磁星或高度磁化的中子星。

科学家们认为，氢和氦等较轻的元素，甚至少量的锂，可能在 138 亿年前大爆炸创造宇宙后很早就存在。

然后，爆炸的恒星释放出铁等较重的元素，这些元素被纳入新生的恒星和行星中。但是，比铁重的黄金在整个宇宙中的分布对天体物理学家来说是一个谜。

“就宇宙中复杂物质的起源而言，这是一个相当基本的问题，”周二发表在《天体物理学期刊快报》（The Astrophysical Journal Letters）上的这项研究的主要作者、纽约市哥伦比亚大学（Columbia University）物理学博士生阿尼鲁德·帕特尔（Anirudh Patel）在一份声明中说。“这是一个有趣的谜题，但实际上还没有解决。”

以前，金的宇宙生产只与中子星碰撞有关。

太阳在 λ=588.9nm 波长下的窄带图像 - 众所周知的太阳钠线，也称为“NaD 线”。该图像是在最近在 Inouye 使用 VTF 进行首次光照工作时获得的，它显示了太阳黑子内部结构的分辨率——并暗示了通过结合 VTF 提供的所有数据（图像、光谱和偏振法）可以多么彻底地检查它们。原始图像版本中的每个像素对应于太阳上 10 公里（或 6.2 英里）。

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天文学家在 2017 年观察到了两颗中子星之间的碰撞。这场灾难性的冲突释放了时空涟漪，称为引力波，以及来自伽马射线暴的光。这次被称为千新星的碰撞事件还产生了金、铂和铅等重元素。千新星被比作太空中的黄金“工厂”。

据信，大多数中子星合并只发生在过去几十亿年中，该研究的合著者、巴吞鲁日路易斯安那州立大学助理教授兼天体物理学家埃里克·伯恩斯 （Eric Burns） 说。

但伯恩斯说，来自美国宇航局和欧洲航天局望远镜的 20 年前无法破译的数据表明，更早形成的磁星耀斑——在宇宙的婴儿期——可能为黄金的产生提供了另一种方式。

星星上的地震

中子星是爆炸恒星核心的残余物，它们的密度如此之大，以至于 1 茶匙恒星的材料在地球上相当于 10 亿吨。磁星是一种非常明亮的中子星，具有非常强大的磁场。

伯恩斯说，天文学家仍在试图弄清楚磁星究竟是如何形成的，但他们推测，第一批磁星可能在宇宙诞生后约 2 亿年，即大约 136 亿年前，出现在第一批恒星之后。

偶尔，磁星会因“星震”而释放出大量的辐射。

在地球上，地震的发生是因为地球的熔融核心导致地壳运动，当足够的压力积累时，会导致不稳定的运动，或者脚下的地面震动。伯恩斯说，星震也很相似。

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“中子星有一个地壳和一个超流体核心，”伯恩斯在一封电子邮件中说。“表面下的运动会在表面积聚应力，最终会导致星震。在磁星上，这些星震会产生非常短的 X 射线爆发。就像在地球上一样，你（有）一个给定的恒星特别活跃的时期，在几周内产生成百上千个耀斑。同样，每隔一段时间，就会发生一次特别强烈的地震。

帕特尔说，研究人员发现的证据表明，磁星在巨大的耀斑期间会释放物质，但他们没有对恒星质量喷出的物理解释。

根据这项新研究的几位合著者最近的研究，包括帕特尔的顾问、哥伦比亚大学物理学教授和纽约市熨斗研究所的高级研究科学家布莱恩·梅茨格（Brian Metzger），耀斑很可能会高速加热并喷射地壳材料。

“他们假设这种爆炸性物质抛射的物理条件有利于产生重元素，”帕特尔说。

这位艺术家的概念描绘了将物质释放到太空中的磁星。磁力线（以绿色显示）影响带电物质在磁星周围的运动。

这位艺术家的概念描绘了将物质释放到太空中的磁星。磁力线（以绿色显示）影响带电物质在磁星周围的运动。 美国宇航局/喷气推进实验室-加州理工学院

追踪恒星信号

研究小组很好奇磁耀斑的辐射与重元素的形成之间是否存在联系。科学家们在可见光和紫外线波长中寻找证据。但伯恩斯想知道耀斑是否也会产生可追踪的伽马射线。

他查看了最后一次观测到的巨大磁星耀斑的伽马射线数据，该耀斑出现在 2004 年 12 月，由现已退役的 INTEGRAL（或 INTErnational 伽马射线天体物理学实验室）任务捕获。伯恩斯说，天文学家已经找到并描述了这个信号的特征，但当时不知道如何解释它。

Metzger 之前研究提出的模型预测与 2004 年数据的信号非常吻合。伽马射线类似于该团队提出的重元素在巨大磁星耀斑中的产生和分布。

来自 NASA 退役的 RHESSI（或 Reuven Ramaty 高能太阳光谱成像仪）和 Wind 卫星的数据也支持该团队的发现。伯恩斯说，联邦政府资助的长期研究使这一发现成为可能。

“在 2024 年 12 月最初构建我们的模型并做出预测时，我们谁都不知道数据中已经有信号。我们谁也没想到，我们的理论模型会如此完美地拟合数据。对我们所有人来说，这是一个非常令人兴奋的假期，“帕特尔说。“想想我手机或笔记本电脑中的一些东西是如何在我们银河系历史进程中的这场极端爆炸中伪造的，真是太酷了。”

一组科学家使用 NASA 的詹姆斯韦伯太空望远镜观测了异常明亮的伽马射线暴 GRB 230307A 及其相关的千新星。中子星与黑洞或另一颗中子星合并产生的千新星爆炸极为罕见，因此很难观测到这些事件。韦伯望远镜的高灵敏度红外功能帮助科学家确定了产生千新星的两颗中子星的家庭地址。

这张来自韦伯的 NIRCam（近红外相机）的图像突出了 GRB 230307A 的千新星及其前宿主星系，以及其他星系和前景恒星的局部环境。中子星被踢出它们的母星系，行进了大约 120,000 光年的距离，大约是银河系的直径，最后在几亿年后合并。

比银河系亮 100 万倍的爆炸会产生稀有元素

罗马大学（University of Rome）副教授埃莱奥诺拉·特洛亚（Eleonora Troja）博士在2017年领导发现了中子星碰撞发出的X射线，他表示，磁星事件产生重元素的证据“绝不能与2017年收集的证据相提并论”。Troja 没有参与这项新研究。

“从这种磁星中产生黄金是其伽马射线辉光的一个可能解释，这是论文最后诚实讨论的许多其他解释之一，”Troja 说。

特洛伊补充说，磁星是“非常混乱的天体”。鉴于生产黄金可能是一个需要特定条件的棘手过程，磁星可能会在混合物中添加过多的错误成分，例如过量的电子，从而导致产生锆或银等轻金属，而不是金或铀。

“因此，我不会说已经发现了新的黄金来源，”Troja 说。“相反，所提议的是其生产的另一种途径。”

帕特尔说，研究人员认为，磁星巨型耀斑可能造成银河系中高达 10% 的比铁重的元素，但未来的任务可能会提供更精确的估计。

美国宇航局的康普顿光谱仪和成像仪任务 （COSI） 预计将于 2027 年发射，可能会跟进该研究的结果。宽视场伽马射线望远镜旨在观察巨大的磁星耀斑并识别其中产生的元素。帕特尔说，这台望远镜可以帮助天文学家在宇宙中寻找重元素的其他潜在来源。