天文学家发现银河系中拥有最广泛元素的"金标准"恒星HD 222925

摘要:

在我们太阳的宇宙邻居银河系中,有一颗相对明亮的恒星,而在这颗恒星中,天文学家已经能够在太阳系之外的恒星中识别出最广泛的元素范围。由密歇根大学天文学家Ian Roederer领导的这项新的研究,已经在这颗名为HD 222925的恒星中鉴定出65种元素。在确定的元素中,有42种是重元素,它们被列在元素周期表的底部。

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在一颗恒星中识别这些不同的元素将帮助天文学家了解所谓的"快速中子捕获过程",或者说是宇宙中重元素产生的主要方式之一。他们的研究结论已在网上公布,并已被接受在《天体物理学报》增刊系列中发表。

"据我所知,这是我们太阳系以外的任何物体的记录。而使这颗恒星如此独特的是,它有非常高的相对比例的元素,沿着周期表的底部三分之二列出。我们甚至检测到了黄金,"Roederer说。"这些元素是由快速中子俘获过程产生的。这确实是我们试图研究的事情:了解这些元素是如何、在哪里和什么时候产生的物理学。"

这个过程也被称为"r-过程",从铁等较轻元素的存在开始。然后,迅速地,例如一秒钟的时间中子就可以被添加到较轻元素的原子核中。这就产生了较重的元素,如硒、银、碲、铂、金和钍,就是在HD222925中发现的那种,根据天文学家的说法,所有这些元素在恒星中都很少被发现。

"需要大量自由的中子和一套非常高能量的条件来解放它们,并将它们添加到原子的核中,"Roederer说。"能够发生这种情况的环境不多,也许只有两个。"

这些环境中的一个已经被证实:中子星的合并。中子星是超巨星的塌陷核心,是已知最小和最密集的天体。中子星对的碰撞会引起引力波,2017年,天文学家首次探测到来自合并中子星的引力波。r过程可能发生的另一种方式是在大质量恒星的爆炸性死亡之后。

"这是向前迈出的重要一步:认识到r-进程可能发生的地方。但是,要问一句,那个事件实际上发生了什么?那里产生了什么?"Roederer说。"这就是我们的研究的意义所在。

Roederer和他的团队在HD 222925中发现的元素是在宇宙早期的大规模超新星或中子星的合并中产生的。这些物质被抛出并扔回了太空,后来在那里重新形成了Roederer今天所研究的这颗星。

然后,这颗恒星可以被用作这些事件中的一个特征。未来的任何证明r-过程或自然界如何产生周期表底部三分之二的元素的模型,都必须具有与HD 222925相同的特征。

至关重要的是,天文学家们使用了哈勃太空望远镜上的一种仪器,该仪器可以收集紫外线光谱。这个仪器是让天文学家收集光谱中的紫外线部分的关键--来自HD 222925这样的冷星的微弱光线。

天文学家们还使用了智利拉斯坎帕纳斯天文台的麦哲伦望远镜之一--这是一个联盟,麻省理工学院是其合作伙伴--来收集HD 222925的光学部分的光谱。这些光谱编码了恒星内元素的"化学指纹",阅读这些光谱不仅使天文学家能够识别恒星所含的元素,而且还能识别恒星所含某种元素的数量。

Anna Frebel是这项研究的共同作者,也是麻省理工学院的物理学教授。她帮助对HD 222925的元素丰度模式进行了整体解释,以及它如何告知我们对宇宙中元素起源的理解。天文学家现在知道了在宇宙早期发生的一些r-进程事件的详细的逐个元素输出。任何试图理解r-process发生了什么的模型都必须能够重现这一点。

这项研究的许多合著者是一个叫做r-进程联盟的小组的成员,这个小组由致力于解决r-进程的大问题的天体物理学家组成。这个项目标志着该团队的关键目标之一:以前所未有的详细程度确定哪些元素,以及在r过程中产生的数量。

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