恒星坍塌和爆炸会在整个宇宙中传播金元素

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。但通过重新审视旧的档案数据，研究人员现在估计，银河系中高达10%的这些重元素源自高度磁化的中子星（称为磁星）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，直到最近，天文学家还无意中忽视了磁星（本质上是超新星的死亡残余物）在早期星系形成中可能扮演的角色。

汤普森说：“中子星是非常奇特、密度极高的天体，以其真正巨大且极强的磁场而闻名。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以来一直是个鲜为人知的谜团，但科学家们知道它们只能通过一种称为快中子俘获过程（r-过程）的方法在特殊条件下形成，这是一系列独特而复杂的核反应。

2017年，当科学家探测到两颗超高密度中子星碰撞时，他们目睹了这一过程的发生。这次事件通过美国宇航局望远镜、激光干涉引力波天文台（LIGO）及其他仪器捕捉到，为重元素由天体力量创造提供了首个直接证据。

但进一步的证据表明，可能需要其他机制来解释所有这些元素，因为中子星碰撞在早期宇宙中可能无法足够快地产生重元素。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充当重元素的潜在喷射源。这一发现通过对磁星SGR 1806-20长达20年的观测得到证实——该磁星耀斑极其明亮，以至于对该事件的一些测量只能通过研究其月球反射光来进行。

通过分析这次磁星耀斑事件，研究人员确定，新生成元素的放射性衰变与他们关于磁星耀斑喷射出快中子俘获过程重元素后释放能量时机和类型的理论预测相符。研究人员还从理论上推断，磁星耀斑会产生重宇宙射线，即物理起源仍未知的极高速度粒子。

“我热爱关于系统如何运作、新发现如何产生、宇宙如何运行的新观点，”汤普森说。“这就是为什么像这样的结果真的令人兴奋。”

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（包括系外行星系统的形成及其宜居性）提供独特见解。

磁星不仅产生最终落在地球上的金、银等宝贵金属，导致它们形成的超新星爆炸还产生了氧、碳和铁等元素，这些元素对其他许多更复杂的天体过程至关重要。

“它们喷射的所有物质都会混入下一代行星和恒星中，”汤普森说。“数十亿年后，这些原子被整合到可能最终构成生命的物质中。”

总而言之，这些发现对天体物理学具有深远意义，尤其对于研究重元素和快速射电暴（来自遥远星系的电磁无线电波的短暂颤动）起源的科学家。理解物质如何从磁星喷射可能帮助科学家更深入地了解它们。

由于磁星耀斑的稀有性和短暂持续时间，它们可能难以观测，

而像詹姆斯·韦伯太空望远镜和哈勃望远镜等现有天基望远镜并不具备探测和研究其发射信号所需的专用能力。即使是像美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜这样更专业的观测站，也只能看到来自邻近星系的伽马射线闪光的最亮部分。

取而代之的是，一项拟议的美国宇航局任务——康普顿光谱仪和成像仪（COSI）——可能通过扫描银河系寻找诸如巨型磁星耀斑等高能事件来支持该团队的研究。尽管像SGR 1806-20这样的另一事件本世纪可能不会发生，但如果磁星耀斑真的在我们附近爆发，COSI可用于更好地识别其喷发产生的单个元素，并使该研究团队得以证实他们关于宇宙中重元素来源的理论。

“我们正在这个领域提出一系列新观点，持续的观测将带来更多伟大的联系，”汤普森说。

该研究得到了美国国家科学基金会、美国宇航局、查尔斯大学资助机构和西蒙斯基金会的支持。合著者包括哥伦比亚大学的安尼鲁德·帕特尔和布莱恩·D·梅茨格、布拉格查尔斯大学的雅各布·塞胡拉、路易斯安那州立大学的埃里克·伯恩斯以及弗拉蒂伦研究所的贾里德·A·戈德堡。