客观日本

日本在红外区域发现观察宇宙“炼金术”的关键

2020年01月27日 海洋宇宙

日本东京大学、京都产业大学和国立天文台等的研究人员组成的研究团队,利用京都产业大学神山天文台的1.3米口径荒木望远镜上安装的近红外高分散光谱仪“WINERED”,对13颗恒星实施了近红外光谱观测。对观测到的大量吸收线波长与理论计算获得的波长列表进行比较后,成功鉴定出了9种元素。虽然以前就预测近红外线的波长范围存在很多重元素形成的吸收线,但高精度测量到其实际存在及强度比尚属首次(图1)。

日本在红外区域发现观察宇宙“炼金术”的关键

图1:此次研究成果的概念图。生成的一些中子俘获元素,每个元素产生了此次检测到的吸收线。在中子星结合并合成元素的同时产生引力波的示意图上,重叠了本次研究检测到的吸收线的光谱。(图片来自:国立天文台、东京大学)

除了宇宙大爆炸时形成的最轻元素氢、氦、锂外,所有元素都是伴着超新星爆炸等天文现象生成的,并且比例逐渐增加。要想了解宇宙的化学演变历史,比如各种元素是如何增加的,就需要查清各种元素生成现象的发生频率。最近备受关注的是名为中子俘获元素的重(原子序数大)元素。中子星随着引力波的产生而合并时认为会合成金和稀土元素等,研究人员从理论和观测两方面对此开展了大量研究。现在实施的引力波检测和电磁波对应天体观测研究可以直接调查元素生成现场。另一方面,要想探索宇宙的化学演化情况,测量在各个演化阶段由气体形成的恒星的化学成分同样也很重要。

通过近红外线观测恒星可以了解天体中存在哪些元素。中子星合并作为引力波源也受到关注,合并时生成元素的相关知识有望用来探索各种元素在宇宙历史中是如何增加的。

测量恒星化学成分的关键是光谱中出现的与吸收线有关的基本信息。天文学家通过按不同波长观测天体的光,来调查遥远的天体中存在哪些元素。“分光”的观测方法利用了元素会吸收和发射特定波长的光的性质。一种元素会吸收和发射不同波长的光,但理论上难以计算到底多大程度吸收和发射了何种波长的光,尤其是重元素,必须通过实验和观测进行验证。不过,详细解析恒星红外光谱的研究还处于发展阶段,因此尚未确立一些基本信息。本次研究调查了0.97~1.32微米波段光谱中出现的中子俘获元素的吸收线。利用的是通过WINERED光谱仪(图2)获得的13颗恒星的观测光谱。

日本在红外区域发现观察宇宙“炼金术”的关键

图2:获得本次研究利用的观测光谱使用的WINERED光谱仪。(图片来自:京都产业大学(神山天文台))

从原子序数为30的锌到原子序数为66的镝,此次确认吸收线的元素共9种,均属于中子俘获元素。一般认为在中子星合并时会大量产生这些元素。近年来,中子星的合并通过引力波和电磁波被观测并引起关注,此次获得的知识对了解其观测特征非常重要。从大爆炸刚刚发生后只存在氢和氦的宇宙到现在充满各种元素的宇宙,此次成果为了解这个演化过程提供了关键线索。

相关研究成果已于2020年1月9日发表在《The Astrophysical Journal Supplement》的网络版上。

论文信息
题目:Identification of Absorption Lines of Heavy Metals in the Wavelength Range 0.97—1.32 μm
期刊:《The Astrophysical Journal Supplement》
DOI:10.3847/1538-4365/ab5c25

日文全文

文:JST客观日本编辑部翻译编辑

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