重元素從何而來？新生黑洞可能是宇宙黃金工廠

這幾年重力波事件偵測能力進步，我們已能證實金、銀、釷、鈾等重金屬來源之一是雙中子星合併。然而，又有研究指出雙中子星合併並不足以產生宇宙黃金量，表明還有其他黃金工廠存在，現在最新模擬結果表示，新生黑洞只要吸積盤條件正確，也能引發 R-過程產生黃金。

2017 年，人類首度偵測到雙中子星合併釋放之重力波事件，並證實重金屬如黃金、銀、鈾等元素從中誕生：中子星合併過程引發「快中子捕獲過程」（R-過程）以形成比鐵更重的元素，科學家估計，雙中子星碰撞事件短短 1 秒內產生 50 個地球質量的銀、100 個地球質量的黃金，以及 500 個地球質量的鉑（俗稱白金）。

2019 年，科學家更透過模擬發現 46 億年前有 2 顆中子星在太陽系附近「暴力會車」，劇烈碰撞帶來地球如今珍貴的金、鉑、鈾等重金屬。

除了雙中子星碰撞，超新星爆炸也會引發快中子捕獲過程，或說如今地球所有重元素都來自超新星爆炸或中子星碰撞，然而 2020 年時，一篇研究指出中子星碰撞結果無法解釋宇宙的黃金量，認為中子星合併並非黃金主要起源。

▲ 中子星合併。（Source：LIGO）

那麼，宇宙還有什麼極端環境條件可引發快中子捕獲過程？黃金究竟來自哪？

亥姆霍茲重離子研究中心新論文表明，雙中子星合併形成之新生黑洞，或大質量恆星塌縮形成的恆星質量黑洞，只要吸積盤條件正確，也能產生快中子捕獲過程合成重元素。

團隊首次透過模擬改變黑洞質量、自旋、周圍物質質量等參數，分析吸積盤的中子和質子轉化率，發現只要決定性因素：吸積盤總質量恰到好處，盤內就含有非常豐富的微中子並得以發生快中子捕獲過程；但若吸積盤質量太高，微中子在離開圓盤前被中子重新捕獲，這些中子轉換回質子，反而會阻礙快中子捕獲過程。

模擬結果表明，最佳重元素工廠是質量為太陽質量 1%~10% 的吸積盤。團隊下一步計畫利用中子星碰撞發出的光計算黑洞吸積盤質量，等反質子與離子研究設備（Facility for Antiproton and Ion Research，FAIR）建造完成，就能以前所未有的精準度幫忙驗證這道假設。

新論文發表在《皇家天文學會月報》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）。

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（首圖來源：pixabay）