เหล็กหลอม

การศึกษาใหม่โดยนักวิจัยที่ MIT และมหาวิทยาลัย New Hampshire พบว่าแหล่งที่มาของโลหะหนัก 2 แหล่งที่สงสัยกันมานาน แหล่งหนึ่งเป็นเหมืองทองคำมากกว่าอีกแหล่งหนึ่ง การศึกษาซึ่งตีพิมพ์ในวันนี้ในAstrophysical Journal Lettersรายงานว่าในช่วง 2.5 พันล้านปีที่ผ่านมา มีการผลิตโลหะหนักมากขึ้นในการรวมตัวของดาวนิวตรอนคู่ หรือการชนกันระหว่างดาวนิวตรอนสองดวง มากกว่าการรวมตัวระหว่างดาวนิวตรอนกับหลุมดำ การศึกษานี้เป็นครั้งแรกที่เปรียบเทียบการควบรวมทั้งสองประเภทในแง่ของปริมาณโลหะหนักที่ปล่อยออกมา และชี้ให้เห็นว่าดาวนิวตรอนคู่น่าจะเป็นแหล่งกำเนิดของจักรวาลสำหรับทองคำ แพลทินัม และโลหะหนักอื่นๆ ที่เราเห็นในปัจจุบัน การค้นพบนี้ยังสามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์กำหนดอัตราการผลิตโลหะหนักทั่วจักรวาล "สิ่งที่เราพบว่าน่าตื่นเต้นเกี่ยวกับผลลัพธ์ของเราคือในระดับความมั่นใจ เราสามารถพูดได้ว่าดาวนิวตรอนคู่น่าจะเป็นเหมืองทองคำมากกว่าการรวมตัวของดาวนิวตรอนกับหลุมดำ" Hsin-Yu Chen ผู้เขียนนำจากสถาบัน Kavli Institute ของ MIT กล่าว สำหรับการวิจัยดาราศาสตร์ฟิสิกส์และอวกาศ ผู้เขียนร่วมของ Chen คือ Salvatore Vitale ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่ MIT และ Francois Foucart จาก UNH แฟลชที่มีประสิทธิภาพ เมื่อดาวเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น พวกมันต้องการพลังงานเพื่อหลอมรวมโปรตอนเพื่อสร้างองค์ประกอบที่หนักกว่า ดาวฤกษ์มีประสิทธิภาพในการปั่นธาตุที่เบากว่าตั้งแต่ไฮโดรเจนไปจนถึงธาตุเหล็ก อย่างไรก็ตามการหลอมรวมโปรตอนมากกว่า 26 โปรตอนในเหล็กจะไม่มีประสิทธิภาพทางพลังงาน "ถ้าคุณต้องการก้าวข้ามเหล็กและสร้างองค์ประกอบที่หนักกว่า เช่น ทองคำและแพลทินัม คุณต้องมีวิธีอื่นในการโยนโปรตอนเข้าด้วยกัน" Vitale กล่าว นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าซูเปอร์โนวาอาจเป็นคำตอบ เมื่อดาวฤกษ์มวลมากยุบตัวในซูเปอร์โนวา เหล็กหลอม ที่อยู่ใจกลางอาจรวมเข้ากับธาตุที่เบากว่าในการพุ่งออกมาอย่างรุนแรงเพื่อสร้างธาตุที่หนักกว่า อย่างไรก็ตาม ในปี 2560 มีการยืนยันผู้สมัครที่มีแนวโน้มว่าจะอยู่ในรูปของการรวมตัวของดาวนิวตรอนคู่ ซึ่งตรวจพบเป็นครั้งแรกโดย LIGO และ Virgo ซึ่งเป็นหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงในสหรัฐอเมริกาและอิตาลีตามลำดับ เครื่องตรวจจับจับคลื่นความโน้มถ่วงหรือระลอกคลื่นผ่านกาลอวกาศ ซึ่งมีต้นกำเนิด 130 ล้านปีแสงจากโลก จากการชนกันระหว่างดาวนิวตรอนสองดวง แกนกลางของดาวฤกษ์มวลมากที่ยุบตัว ซึ่งอัดแน่นด้วยนิวตรอนและเป็นหนึ่งในวัตถุที่หนาแน่นที่สุดใน จักรวาล. การควบรวมของจักรวาลได้ปล่อยแสงวาบซึ่งมีลายเซ็นของโลหะหนัก "ขนาดของทองคำที่เกิดจากการควบรวมกิจการนั้นเทียบเท่ากับมวลของโลกหลายเท่า" เฉินกล่าว "นั่นทำให้ภาพเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง คณิตศาสตร์แสดงให้เห็นว่าดาวนิวตรอนคู่เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการสร้างธาตุหนัก เมื่อเทียบกับซูเปอร์โนวา" เหมืองทองแบบไบนารี เฉินและเพื่อนร่วมงานของเธอสงสัยว่า: การรวมตัวของดาวนิวตรอนอาจเปรียบเทียบกับการชนกันระหว่างดาวนิวตรอนกับหลุมดำได้อย่างไร นี่เป็นการควบรวมกิจการอีกประเภทหนึ่งที่ LIGO และ Virgo ตรวจพบ และอาจเป็นโรงงานผลิตโลหะหนัก ภายใต้สภาวะบางอย่าง นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่า หลุมดำสามารถรบกวนดาวนิวตรอนได้ ซึ่งจะทำให้เกิดประกายไฟและพ่นโลหะหนักออกมาก่อนที่หลุมดำจะกลืนกินดาวฤกษ์ทั้งหมด ทีมงานเริ่มกำหนดปริมาณทองคำและโลหะหนักอื่นๆ ที่การควบรวมกิจการแต่ละประเภทสามารถผลิตได้ สำหรับการวิเคราะห์ พวกเขามุ่งความสนใจไปที่การตรวจจับของ LIGO และ Virgo จนถึงปัจจุบันการรวมตัวของดาวนิวตรอนคู่สองดวงและการรวมตัวของหลุมดำของดาวนิวตรอนสองดวง ในตอนแรก นักวิจัยประเมินมวลของวัตถุแต่ละชิ้นในการรวมตัวแต่ละครั้ง รวมถึงความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของหลุมดำแต่ละหลุม โดยให้เหตุผลว่าหากหลุมดำมีมวลมากหรือช้าเกินไป มันจะกลืนดาวนิวตรอนก่อนที่จะมีโอกาสเกิดมวลหนัก องค์ประกอบ พวกเขายังกำหนดความต้านทานของดาวนิวตรอนแต่ละดวงต่อการถูกรบกวนด้วย ยิ่งดาวฤกษ์มีความต้านทานมากเท่าใด โอกาสที่จะสลายธาตุหนักก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น พวกเขายังประเมินความถี่ในการควบรวมกิจการหนึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับอีกที่หนึ่ง โดยอ้างอิงจากการสังเกตของ LIGO, Virgo และหอสังเกตการณ์อื่นๆ สุดท้าย ทีมงานใช้การจำลองเชิงตัวเลขที่พัฒนาโดย Foucart เพื่อคำนวณปริมาณทองคำและโลหะหนักอื่นๆ โดยเฉลี่ยที่การควบรวมกิจการแต่ละครั้งจะผลิตขึ้น โดยคำนึงถึงมวลของวัตถุ การหมุน ระดับการหยุดชะงัก และอัตราการเกิดขึ้นของวัตถุต่างๆ โดยเฉลี่ยแล้ว นักวิจัยพบว่าการรวมตัวของดาวนิวตรอนแบบคู่สามารถสร้างโลหะหนักได้มากกว่าการรวมตัวระหว่างดาวนิวตรอนและหลุมดำถึง 2-100 เท่า การควบรวมกิจการทั้งสี่ครั้งที่พวกเขาใช้การวิเคราะห์คาดว่าจะเกิดขึ้นภายใน 2.5 พันล้านปีที่ผ่านมา พวกเขาสรุปได้ว่าในช่วงเวลานี้ อย่างน้อยที่สุด ธาตุหนักจำนวนมากถูกผลิตขึ้นจากการรวมตัวของดาวนิวตรอนคู่มากกว่าจากการชนกันระหว่างดาวนิวตรอนกับหลุมดำ ตาชั่งอาจสนับสนุนการรวมตัวของดาวนิวตรอน-หลุมดำ หากหลุมดำมีสปินสูงและมีมวลต่ำ อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้สังเกตเห็นหลุมดำประเภทนี้ในการควบรวมทั้งสองที่ตรวจพบจนถึงปัจจุบัน Chen และเพื่อนร่วมงานของเธอหวังว่า เมื่อ LIGO และ Virgo กลับมาสังเกตการณ์อีกครั้งในปีหน้า การตรวจจับที่มากขึ้นจะช่วยปรับปรุงการประมาณการของทีมสำหรับอัตราที่การควบรวมกิจการแต่ละครั้งจะสร้างองค์ประกอบหนัก ในทางกลับกัน อัตราเหล่านี้อาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ระบุอายุของดาราจักรที่อยู่ห่างไกลได้ โดยพิจารณาจากองค์ประกอบต่างๆ ที่มีอยู่มากมาย "คุณสามารถใช้โลหะหนักแบบเดียวกับที่เราใช้คาร์บอนในการหาซากไดโนเสาร์" Vitale กล่าว "เนื่องจากปรากฏการณ์ทั้งหมดเหล่านี้มีอัตราที่แท้จริงและผลผลิตของธาตุหนักที่แตกต่างกัน ซึ่งจะส่งผลต่อวิธีการที่คุณแนบเวลาประทับกับกาแลคซี ดังนั้น การศึกษาประเภทนี้สามารถปรับปรุงการวิเคราะห์เหล่านั้นได้"