新发现的恒星为何被称为“金本位”？|中子|中子星|太阳|恒星|银河系

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 风月同天|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索

作者：Evan Gough

翻译：何永强

校对：杨欣冉梁美珍

排版：简稚珉

后台：胡永葳李子琦李鸣晨

https://www.universetoday.com/155901/astronomers-find-a-star-that-contains-65-different-elements/

你是否拿过一块金子在手里？不是一件小首饰，而是一盎司甚至更多？如果有过，你几乎可以立即理解是什么驱使人们想要拥有它，知道它来自哪里。

我们知道黄金来自恒星。所有的恒星主要由氢和氦组成。但它们还含有其他元素，天体物理学家称之为“恒星的金属丰度”。我们的太阳金属丰度很高，含有67种不同的元素，其中包括大约2.5万亿吨黄金。

现在，天文学家发现了一颗含有65种元素的遥远恒星，这是在其他恒星中发现的元素最多的恒星。黄金就是其所包含的元素之一。

在银河系附近有一颗相当明亮的恒星，名为HD 222925。它靠近南天的杜鹃座。天文学家称它为“金本位”恒星，因为这是研究恒星如何产生宇宙中某些重元素的最佳机会。这个过程被称为r过程，或者快中子俘获过程。

一篇新的论文介绍了HD 222925中r过程产生的所有元素的化学清单。论文名为《R过程联盟：从R过程增强贫金属星HD 222925的紫外光谱中得到的一个近乎完整的R过程丰度模板》。它可以在预出版平台arxiv.org上找到，并将发表在《天体物理学报增刊》系列中。该研究的主要作者是密歇根大学的天文学家Ian Roederer。

HD 222925是一颗r过程增强但贫金属的恒星。它的金属丰度很高，这意味着它含有除氢和氦以外的许多元素，但这些元素的质量并不多。这不是第一个被发现的。这一殊荣属于CS 22892-052，也被称为“斯尼登之星（Sneden’s star）”。斯尼登首先发现了其中的53种化学元素。但是HD 222925在紫外波段比斯尼登之星亮得多，因此在光谱学上更容易观察。这就是研究人员能够识别65种不同元素的原因。

“据我所知，这是太阳系以外天体的新记录。这颗恒星的独特之处在于它在元素周期表底部三分之二的元素中所占的相对比例非常高。我们甚至发现了黄金，”Roederer在一篇新闻稿上说，“这些元素是由快速中子捕获过程制成的。这正是我们正在努力研究的东西：了解这些元素是如何、在哪里、何时形成的物理机制。”

图注：HD 222925是位于南天的一颗九星等的恒星。天文学家在这颗恒星中发现了65种不同的化学元素，仅次于包含67种不同元素的太阳。

图源：STScI数字化巡天

中子捕获的类型有两种：s过程（慢中子捕获过程）和r过程。科学家们对s过程的理解已经相当透彻，但对r过程仍有重大疑问。天体物理学家对r过程有很好的理论理解，但直到2019年才直接观测到r过程，当时观察者在一次千新星爆炸的残骸中发现了锶。

中子快速捕获使得原子核捕获中子的速度快于中子衰变的速度，从而产生重元素。r过程始于比铁轻的元素。在一个有大量中子和能量的环境中，这些较轻的元素可以捕获中子，因为它们是中性的，不带电荷。当一个原子捕获一个中子时，它释放出一个电子，把这个中子转换成另一个质子。这会提高原子序数，较轻的元素变成较重的元素。

因为促进r过程的天体物理位置非常罕见，包括珍贵的金在内，这些较重的元素很少在恒星中被发现。Roederer表示：“这需要大量的自由中子和非常高的能量组条件来释放它们，并将它们添加到原子核中。很少有环境能让这种情况发生，可能只有两种。”

这种稀有性使得r过程的研究具有挑战性，也使得像金这样的较重元素变得稀有。因此HD 222925成为了金本位。

图注：这张元素周期表显示了HD 222925中的元素。没有长期存在的同位素的元素用浅灰色字体表示。氦以前在近红外光谱中被探测到。

图源：Roederer等人，2022

中子星合并以及由此产生的千新星爆炸是促进r过程的环境之一。另一种是大质量恒星的超新星爆炸。确定允许r过程发生的天体物理环境对理解r过程至关重要。现在天体物理学家想要更详细地研究这一过程。

“这是向前迈出的重要一步：识别r过程可能发生的位置。但更重要的是说：‘这一事件究竟起到了什么作用？那里生产什么？’”Roederer说，“这就是我们研究的切入点。”

HD 222925不能生产它所含的重元素。它们在宇宙早期产生，然后通过超新星或千新星扩散到太空中。然后它们被另一代恒星形成所吸收，在这个例子中是HD 222925。

该研究的合著者、麻省理工学院的物理学教授Anna Frebel说：“我们现在知道了宇宙早期发生的一些r过程事件的详细的元素对元素输出。”她表示：“任何试图理解r过程发生了什么的模型都必须能够重现这一过程。”

科学家们知道，r过程是恒星及其残余物产生原子序数大于30的重元素的主要方式之一。最近的观测证实，r过程发生在中子星合并以及由此产生的千新星爆炸中。但仍有一些悬而未决的问题存在了很长一段时间，比如它能产生哪些元素以及其丰度如何？

图注：2019年，欧洲研究人员发现了锶在中子星合并中形成的特征。这幅艺术想象图展示了两颗微小但密度大的中子星合并以及爆炸成千新星的过程。在前景中，我们看到一个新生成的锶。

图源：ESO / L.Calçada / M.Kornmesser

这些问题催生了R过程联盟（R-Process Alliance），一群科学家试图找到答案。这项新研究的一些作者是该联盟的成员。这是该联盟成员针对HD 222925发表的第二篇论文。研究人员认为，HD 222925是一组恒星中的一员，它们形成于r过程增丰的环境中。该恒星的金属丰度比大多数已知的由r过程增丰的恒星高。这表明多颗超新星使其增丰。HD 222925可能不是银河系的一部分，而是在过去某个时候被银河系捕获的。

作者写道，HD 222925在化学丰度模式上，除了r过程元素的整体增强外，没有显著的特征。因此，可以认为它反映了早期宇宙中主要r过程源的产率。

现在，天体物理学家已经确定了一颗含有r过程元素的明亮恒星，它可以作为超新星和千新星产生的代表。当研究人员在这些产生重元素的事件中创建r过程的模型时，这些模型必须具有与HD 222925相同的特征。因此它是金本位。

对于人类来说，黄金总是具有某种神秘感。它是独一无二的元素，经常出现在世界神话中。在古希腊，众神身着黄金，赋予吃掉金苹果的人以死亡的权利，前提是他们能通过守护金苹果的龙。在印度教神话中，黄金是力量的源泉，可以传递神圣的意识。它也是世界的灵魂。

图注：古代人非常珍惜黄金，但他们不可能猜到黄金的来源。图为古埃及法老图坦卡蒙的面具（左）和内棺（右）。内棺由纯金制成，重约243磅（约110多公斤）。

面具：Roland Unger自己拍摄的作品，CC BY-SA 3.0,

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48168958

内棺：开罗埃及博物馆

那些信仰现在都被时间抹去了。但取代它们的科学更令人着迷。古人永远不会想到他们的神话会被科学所取代，也不会想到恒星会爆炸并产生金和其他元素。他们永远也想象不出能在山顶上架设巨大的望远镜，眺望遥远的太空。他们从来没有想到，我们可以切割恒星的光，并确定恒星中含有黄金。

他们永远也猜不到我们的太阳含有2.5万亿吨黄金。

大连市牧夫天文学会

2022年度会员大会暨理事会、监事会换届大会将于22日（今天）举行，敬请参会

今天的直播，欢迎大家和我们一起线上参与！