黄金从哪里来？美国国家航空航天局的数据有线索

这位艺术家的概念描绘了一颗磁星——一种具有强磁场的中子星——将物质释放到太空中。显示为细绿线，磁场线影响磁星周围带电物质的运动。图像：美国国家航空航天局/喷气推进实验室加州理工学院

（蜘蛛网eeook.com）据美国国家航空航天局（伊丽莎白·兰道）：自大爆炸以来，早期宇宙中有氢、氦和少量的锂。后来，一些较重的元素，包括铁，被锻造成恒星。但天体物理学中最大的谜团之一是：第一批比铁重的元素，如金，是如何产生并分布在整个宇宙中的？

纽约哥伦比亚大学的博士生Anirudh Patel说：“就宇宙中复杂物质的起源而言，这是一个非常基本的问题。这是个有趣的谜题，实际上还没有得到解决。”

Patel领导了一项研究，该研究使用了美国国家航空航天局和欧洲航天局望远镜20年来的档案数据，发现了大量这些重元素的惊人来源的证据：来自被称为磁星的高度磁化中子星的耀斑。这项研究发表在《天体物理学杂志快报》上。

研究作者估计，磁星巨型耀斑可能占银河系中比铁重的元素总丰度的10%。由于磁星在宇宙历史上相对较早地存在，因此第一批黄金可能是通过这种方式制成的。

巴吞鲁日路易斯安那州立大学的研究合著者兼天体物理学家埃里克·伯恩斯说：“这是在回答本世纪的一个问题，并利用几乎被遗忘的档案数据解开一个谜团。”。

中子星是已经爆炸的恒星的坍缩核心。它们的密度如此之高，以至于地球上一茶匙中子星物质的重量可达十亿吨。磁星是一种具有极其强大磁场的中子星。

在极少数情况下，磁星在经历“星震”时会释放出大量的高能辐射，与地震一样，星震会破坏中子星的地壳。星震也可能与被称为磁星巨型耀斑的强大辐射爆发有关，这甚至会影响地球的大气层。在银河系和附近的大麦哲伦星云中只观测到三次磁星巨型耀斑，在银河系外观测到七次。

Patel和他的同事，包括他的顾问、哥伦比亚大学教授、纽约熨斗研究所高级研究科学家Brian Metzger，一直在思考巨型耀斑的辐射如何与那里形成的重元素相对应。这将通过中子将较轻的原子核锻造成较重的原子核的“快速过程”来实现。   

质子定义了元素在元素周期表上的身份：氢有一个质子，氦有两个，锂有三个，以此类推。原子也有中子，这些中子不会影响身份，但会增加质量。有时，当一个原子捕获到额外的中子时，原子会变得不稳定，发生核衰变过程，将中子转化为质子，使原子在周期表上向前移动。例如，这就是金原子如何吸收额外的中子，然后转化为汞。 

在中子密度极高的破碎中子星的独特环境中，发生了更奇怪的事情：单个原子可以快速捕获如此多的中子，以至于它们经历多次衰变，从而产生更重的元素，如铀。

当天文学家在2017年使用美国国家航空航天局望远镜和激光干涉仪引力波天文台（LIGO）以及地面和太空中的众多望远镜观测到两颗中子星的碰撞时，他们证实这一事件可能产生了金、铂和其他重元素。但中子星合并在宇宙历史上发生得太晚，无法解释最早的金和其他重元素。这项新研究的合著者——布拉格查尔斯大学的Jakub Cehula、俄亥俄州立大学的Todd Thompson和Metzger——最近的研究发现，磁星耀斑可以高速加热和喷射中子星地壳物质，使其成为潜在的来源。

一位艺术家的渲染图显示，一颗高度磁化的中子星的地壳破裂会引发高能爆发。图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/s.Wiessinger

起初，Metzger和他的同事们认为磁星上重元素的产生和分布的特征会出现在可见光和紫外光中，并发表了他们的预测。但路易斯安那州的伯恩斯想知道是否也有足够明亮的伽马射线信号可以被探测到。他让梅泽尔和帕特尔检查一下，他们发现可能有这样的签名。

梅泽尔说：“在某个时候，我们说，‘好吧，我们应该问观察员是否看到了什么。’”。

Burns查阅了2004年12月观测到的最后一次巨大耀斑的伽马射线数据。他意识到，虽然科学家们解释了爆发的开始，但他们也在欧空局（欧洲航天局）国际伽马射线天体物理实验室（INTEGRAL）的数据中发现了磁星发出的较小信号，INTEGRAL是最近由美国国家航空航天局资助的退役任务。伯恩斯说：“当时已经注意到了，但没有人知道它会是什么。”。

梅泽尔记得，伯恩斯认为他和帕特尔是在“开玩笑”，因为他们团队模型的预测与2004年数据中的神秘信号非常吻合。换句话说，20多年前探测到的伽马射线信号与重元素形成并分布在磁星巨型耀斑中时的样子相对应。

帕特尔非常兴奋，“在接下来的一两周里，我什么都没想。这是我唯一的想法，”他说。

研究人员利用美国宇航局两次太阳物理学任务的数据支持了他们的结论：退役的RHESSI（鲁文·拉马蒂高能太阳光谱成像仪）和正在进行的美国宇航局Wind卫星，该卫星也观测到了磁星巨型耀斑。这项新研究的其他合作者包括Flatiron研究所的Jared Goldberg。

美国国家航空航天局即将进行的COSI（康普顿光谱仪和成像仪）任务可以跟进这些结果。COSI是一台广域伽马射线望远镜，预计将于2027年发射，将研究宇宙中的高能现象，如磁星巨型耀斑。COSI将能够识别这些事件中创建的单个元素，为理解元素的起源提供新的进展。它是众多可以协同工作以寻找宇宙中“瞬态”变化的望远镜之一。

研究人员还将跟进其他档案数据，看看其他磁星巨型耀斑的观测中是否隐藏着其他秘密。

帕特尔说：“想想我手机或笔记本电脑里的一些东西是如何在银河系历史上的这场极端爆炸中伪造的，真是太酷了。”