「磁星閃焰」或是宇宙黃金等重元素的來源

更新於 05月08日12:05 • 發布於 05月08日12:00 • 高詩豪

宇宙初生時僅擁有氫、氦與極少量鋰，稍後，恒星內部鍛造了包括鐵在內的較重元素。然而，一直以來，科學家對於「鐵之後」的超重元素如金、鉑與鈾的起源，始終未有完整解釋。近日，美國哥倫比亞大學與俄亥俄州立大學等研究團隊發表於《Astrophysical Journal Letters》的研究指出，一次磁星（magnetar）閃焰就可能產生相當於 27 顆月球質量的重元素，且這類天體可能貢獻了銀河系重元素的 10%。

磁星是超新星爆炸後形成的中子星，具備極高密度與超強磁場。長久以來，天文學界已知快速中子捕獲過程（r-process）是形成金等重元素的關鍵機制，但由於中子星合併事件在宇宙早期發生頻率不足，難以解釋這些元素的普遍存在。

頻率不足，難以解釋元素為何普遍存在

圖示描繪了磁星（magnetar）巨大閃焰後的三個高能輻射階段，根據 2004 年觀測到的 SGR 1806–20 事件： (a) 瞬間伽馬射線爆發：在短短 1 秒內，磁星表面可能因磁場重組造成震動與加熱，噴出高能伽馬射線與物質（可能含重元素），此階段輻射亮度達最高峰。 (b) 旋轉調制的 X 射線尾流：磁星高速自轉，產生週期性 X 射線脈衝，持續數分鐘。 (c) 延遲的放射性伽馬輻射：由剛合成的放射性重元素進行 r 過程衰變所產生，光度緩慢上升至 600～800 秒達高峰，接著逐漸衰退。圖下方顯示亮度隨時間變化的曲線，說明這三個階段如何依序展開，並顯示了旋轉脈衝與輻射衰減趨勢。（圖／《Astrophysical Journal Letters》）

這次研究團隊重新分析了 2004 年觀測到的 SGR 1806-20 磁星閃焰資料，並將其放射性衰變特徵與理論模型比對後，發現其釋放的能量與時間恰與 r-process 元素產生過程吻合。這是繼 2017 年首次觀測到中子星合併產生重金屬後，第二次直接證實這類元素的生成現場。

研究也推論，磁星閃焰還可能是來自宇宙中的「重宇宙射線」來源，這類高能粒子至今物理起源尚不明確。哥大教授 Brian Metzger 表示：「能確定這些手機與電腦中貴金屬的宇宙誕生地，是一次重大突破。」

本研究不僅填補了重元素起源的空白，也再次證明，宇宙最極端的天體，往往才是最稀有材料的誕生地。

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首圖來源：NASA’s Goddard Space Flight Center / S. Wiessinger. (CC BY 4.0)

圖片來源：Astrophysical Journal Letters(CC BY 4.0)

參考論文：
1、Direct Evidence for r-process Nucleosynthesis in Delayed MeV Emission from the SGR 1806–20 Magnetar Giant FlareAstrophysical Journal Letters

延伸閱讀：
1、科學家突破超重元素創造技術瓶頸

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