恒星坍缩和爆炸将金元素分散到整个宇宙

数十年来，天文学家对于自然界中部分最重元素（如金、铀和铂）的来源仅有理论推测。但通过重新审视旧有档案数据，研究人员现估计银河系中高达10%的重元素源自高度磁化的中子星——即磁星——的喷发物。

该研究的合著者、俄亥俄州立大学天文学教授托德·汤普森表示，直到近期，天文学家都未曾意识到磁星（本质上是超新星的死亡残骸）可能在早期星系形成中扮演的角色。

"中子星是非常奇特且密度极高的天体，以其拥有极其强大的磁场而闻名，"汤普森说。"它们接近黑洞，但并非黑洞。"

汤普森指出，虽然重元素的起源长期是个未解之谜，但科学家们知道它们只能通过一种称为r过程（或快中子俘获过程）的特殊条件形成，这是一套独特而复杂的核反应。

2017年科学家们观测到两颗超高密度中子星碰撞时，见证了该过程的实际发生。这次事件通过NASA望远镜、激光干涉引力波天文台（LIGO）及其他仪器捕获，首次为重元素由天体力量制造提供了直接证据。

但进一步证据表明，可能需要其他机制来解释所有重元素，因为中子星碰撞在早期宇宙中产生重元素的速度可能不够快。根据这项新研究，基于这些线索，汤普森及其合作者认识到强大的磁星耀斑确实可能成为重元素的潜在喷发源。这一发现通过对磁星SGR 1806-20持续20年的观测得到证实——该磁星耀斑亮度极高，部分测量数据只能通过研究其月球反射光获取。

通过分析此次磁星耀斑事件，研究人员确定新生成元素的放射性衰变模式与理论预测完全吻合，包括磁星喷发重r过程元素后释放能量的时间尺度和类型。研究团队还提出理论：磁星耀斑会产生重宇宙射线，即物理起源仍属未知的极高速度粒子。

"我热爱关于系统运作、新发现原理和宇宙规律的新思想，"汤普森表示。"这正是此类成果如此激动人心的原因。"

该研究近期发表于《天体物理学杂志通讯》。

磁星可能为星系化学演化（包括系外行星系统形成及其宜居性）提供独特见解。

磁星不仅产生最终抵达地球的黄金白银等珍贵金属，孕育它们的超新星爆发还制造了氧、碳、铁等元素，这些元素对众多更复杂的宇宙进程至关重要。

"它们喷发的所有物质都会融入下一代行星和恒星，"汤普森解释道。"数十亿年后，这些原子可能构成生命的基本要素。"

总体而言，这些发现对天体物理学具有深远影响，尤其为研究重元素起源与快速射电暴（来自遥远星系的电磁射电波短暂颤动）的科学家提供了新视角。理解物质如何从磁星喷发，将助力科学家深化对磁星的认知。

由于磁星耀斑的罕见性和短暂性，观测难度极大，

当前詹姆斯·韦伯太空望远镜、哈勃望远镜等天基设备均不具备探测研究其辐射信号的专用能力。即使更专业的观测设备（如NASA费米伽马射线太空望远镜）也只能捕捉邻近星系伽马射线闪光的亮部。

为此，NASA拟议的康普顿谱仪与成像仪（COSI）任务有望通过巡天探测银河系内的磁星巨耀斑等能量事件来推进研究。虽然类似SGR 1806-20的事件本世纪可能不再重现，但若磁星耀斑在邻近区域爆发，COSI将能更精确识别喷发产生的特定元素，使研究团队得以验证其宇宙重元素来源理论。

"我们正在该领域催生大量新思想，持续观测将带来更伟大的关联发现，"汤普森表示。

本研究获美国国家科学基金会、NASA、查理大学资助机构及西蒙斯基金会支持。合著者包括哥伦比亚大学的阿尼鲁德·帕特尔与布莱恩·D·梅茨格、布拉格查理大学的雅库布·切胡拉、路易斯安那州立大学的埃里克·伯恩斯以及弗拉铁研究所的贾里德·A·戈德堡。