物理學家提出，坍縮恒星產生的高能光子噴流可能是钚等重元素的秘密工廠，這對傳統理論提出了挑戰，并可能解釋地殼中奇怪的宇宙輝光和金屬痕跡。

物理學中最大的未解之謎之一是宇宙是如何創造出元素周期表上最重元素的。為了解答這個問題，由洛斯阿拉莫斯國家實驗室領導的一個團隊正在探索一個此前未知的環境：大質量恒星坍縮過程中伽馬射線爆發產生的強烈噴流及其周圍物質，即所謂的“繭”。

在發表于《天體物理學雜志》的一項研究中，研究人員提出，這些噴流深處的高能光子可能會分裂坍縮恒星的外層，將質子轉化為中子。中子的突然爆發可能引發一系列反應，最終形成鈾和钚等重元素。

一束高能光子噴流（白色和藍色）穿過一顆中心帶有黑洞的坍縮星。噴流周圍的紅色空間代表著一個繭，自由中子可能在這里被捕獲，從而引發r過程，即導致重元素形成的核合成。圖片來源：洛斯阿拉莫斯國家實驗室

“鈾和钚等重元素的形成需要極端條件，”洛斯阿拉莫斯物理學家馬修·穆姆鮑爾（Matthew Mumpower）說道。“宇宙中只有少數幾個可行但罕見的場景可以形成這些元素，而所有這些場景都需要大量的中子。我們提出了一種新現象，這些中子并非預先存在，而是在恒星內部動態產生的。”

通常情況下，自由中子衰變很快，僅能存活約15分鐘，這限制了它們參與元素生成反應的機會。但在適當的環境下，可以發生一個稱為快速中子俘獲過程（或稱“r過程”）的過程。據信，這一過程是宇宙中所有自然生成的釷、鈾和钚的誕生之源。

該團隊的模型通過引入恒星坍縮過程中可能發生的新反應途徑，為 r 過程物理學中長期存在的挑戰提供了新的解決方案。

除了解釋重元素的形成機制外，研究人員的框架還探討了一些關鍵的科學問題，例如中子如何在物質中移動、復雜的多物理系統如何運作以及如何探測罕見的宇宙事件。這些見解在天體物理學和國家安全等領域具有潛在的應用價值，因為了解奇異粒子和反應的行為至關重要。

在穆姆鮑爾提出的設想中，一顆大質量恒星隨著核燃料耗盡而開始消亡。由于無法再抵抗自身引力，恒星中心會形成一個黑洞。如果黑洞旋轉速度足夠快，黑洞附近極強引力產生的參考系拖拽效應會擾亂磁場，并發射出一股強大的噴流。通過后續反應，會產生一系列光子，其中一些光子的能量很高。

噴流穿過前方恒星，在噴流周圍形成一個熾熱的物質繭層，“就像一列貨運火車在雪地里行駛，”穆姆鮑爾說道。在噴流與恒星物質的界面處，高能光子（即光）可以與原子核相互作用，將質子轉化為中子。現有的原子核也可能分解成單個核子，從而產生更多自由中子來驅動r過程。該團隊的計算表明，光與物質的相互作用可以以極快的速度（大約納秒）產生中子。

由于帶電荷，質子會被強磁場困在噴流中。不帶電荷的中子則被拋出噴流，進入“繭”中。經歷相對論性激波后，中子的密度遠高于周圍的恒星物質，因此可能會發生r過程，重元素和同位素會逐漸形成，并在恒星被撕裂時被拋射到太空中。

質子轉化為中子，同時自由中子逃逸到周圍的“繭”中形成重元素的過程，涉及廣泛的物理原理，涵蓋了自然界的所有四種基本力：這是一個真正的多物理場問題，將原子物理學、核物理學、流體力學和廣義相對論等領域結合起來。盡管該團隊付出了巨大的努力，但由于r過程中產生的重同位素從未在地球上合成過，因此仍面臨更多挑戰。研究人員對它們的原子量、半衰期等性質知之甚少。

該團隊提出的高能噴流框架或許有助于解釋與長持續時間伽馬射線暴相關的千新星（一種發出可見光和紅外電磁輻射的輝光）的起源。千新星主要與兩顆中子星碰撞或一顆中子星與一個黑洞的并合有關。這些強烈的碰撞是通過觀測確認宇宙重元素形成工廠的一種可能方法。通過高能光子噴流導致的恒星消亡為重元素及其可能產生的千新星的產生提供了另一種起源，這種可能性此前從未被認為與坍縮恒星有關。

與此相關，科學家在深海沉積物中觀察到了鐵和钚。經過研究，這些沉積物被證實來自地外，盡管與產生千新星的現象一樣，其具體位置或宇宙事件仍然難以捉摸。坍縮星高能噴流的假說代表了一種有趣的可能性，即這些海底重元素的來源。

為了更全面地理解所提出的框架，Mumpower 和他的團隊希望在他們的模型上運行模擬，包括復雜的微物理相互作用。

編譯自/ScitechDaily