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    推翻固有认知,我们究竟从何而来?| Nature进展解读

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      碳-12,一个包含6个中子和6个质子的核素,是一个对人类极为重要,甚至可以说是最重要的原子核。

      碳(C),是所有元素中化合物种类最多的,已记录的有1千万种之多。碳的化合物是地球上所有生物的化学基础,因此碳元素可以说是我们的生命元素。

      人类已经在各个层面上对碳开展了大量的探索、研究和应用。今天,我们主要关心碳元素的起源。在此之前,我们先来大致了解一下宇宙中的元素是怎么来的?咱们可千万不能说,元素是从地下挖出来的。因为在浩瀚的宇宙中,地球只是星际尘埃凝聚成的一个小球。而我们要探寻的,是这些尘埃的第一出生地。

      宇宙中所有元素诞生的产房,基本可以分为3类:

      1. 宇宙大爆炸初期产生的氢(H)、氦(He)和少量的锂(Li)三种元素,他们的产生被称为元祖核合成,这大约发生在大爆炸后的3分钟里。

      2. 在大爆炸后的10亿年左右,恒星开始形成,也提供了最重要的元素合成温床。现有的恒星模型就像一个很热的洋葱,有很多不同的燃烧层组成。外层的轻质量元素的燃烧产物,进入内层并成为燃料并产生更重的产物,直到最后达到核芯。

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      图 恒星核合成的洋葱模型 图片来源 | NASA

      核芯区域通常是以铁(Fe)元素为主,往后就没有办法继续燃烧了,这是因为环境温度无法克服两个Fe之间的库伦排斥力而将它们点燃,于是需要:

      3. 爆发性核合成,它有许多不同的形式,如2017年美国激光干涉引力波天文台(LIGO)率先通过引力波发现的双中子星合并的千新星爆发,1987年塔兰图拉毒蛛星云超新星爆发,含中子星双星系统的X射线暴等等。

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      图 右侧中部亮点为SN1987a超新星爆发,非常亮,是夜空中最亮的星。图片来源 | ESO Schmidt Telescope

      爆发性核合成场景各不相同,偏好产出也不同,但共有的基本性质就是可以产生高温度、高密度的极端环境从而满足合成需要的条件。

      从核反应的角度来看,之前恒星中燃烧过程对应的熔合反应无以为继,取而代之的是:中子俘获反应、质子俘获反应、光致解离、裂变反应、β衰变反应等等。核天体物理学家在抽象了各种场景后,提取出多种过程去解释不同区域原子核的诞生。

      这个领域也是当前核物理与核天体物理最为关心的,因为这里可以回应目前尚未确定的一个基本科学问题:宇宙中比铁重的元素是如何产生的?

      除这三项外,宇宙射线也被认为是某些核合成可能的场景。

      以上粗略绘制了元素合成的大致图像,下面来看我们关注的重点——碳-12是如何产生的。

      除却少部分在丰中子超新星爆发中经由铍-9的(α,n)反应产生,宇宙中最主要的碳-12都是通过3α反应产生的,即α+α+α->12C。这里的α粒子指的就是一个氦-4。它发生的地点是在红巨星的氦燃烧层内。

      3α反应是由弗雷德·霍伊尔爵士于1956年通过理论计算提出的,并得到了广泛的认可。他指出,存在一个7.7MeV的2+(2表示自璇,+表示宇称)激发态,由极短寿命的铍-8共振态可以俘获一个α从而形成碳-12。随后在1957年,实验上发现了这个态,由此确定了碳-12产生的机制,这个态也被称之为霍伊尔态。在此需要说明的是,Salpeter在1952年曾给出了和霍伊尔一样的理论预测。

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      图 弗雷德·霍伊尔 图片来源 | 加州理工学院

      霍伊尔爵士因此也深孚众望,乃至于宇宙大爆炸理论的创始人伽莫夫为此自编了新的圣经创世纪,讲到上帝在创造质量大于5的物质时遇到困难,随即说“要有霍伊尔”,然后霍伊尔诞生,重元素才被制作出来。

      3α反应具有十分积极的意义,在许多方面都是一个最重要的反应。在天然稳定元素中没有质量数为5和8的任何元素,3α反应建立了一座质量数从4(氦-4)到12(碳-12)的桥梁,从而跨越了这个罅隙。当碳-12诞生以后,随后大量不同天体场景下的核合成演化路径成为可能。

      以上就是核合成及3α反应的简介。作为碳基生物的人类,通过自身的意识创造的知识反过来认识到了碳本身的来源及演化,这毫无疑问的彰显出了智慧的光芒与人类的尊严。

      最近,来自中国科学院近代物理研究所的金仕纶与美国密西根州立大学国家超导加速器国家实验室的合作者在核合成及3α反应的研究方面取得新进展,相关成果发表在Nature上。

      研究者们指出,在高温高密度的核天体环境下,3α反应的增强会带来碳-12的产量增大,继而减弱了丰质子环境的超新星核合成。该研究改变了人们对钼(Mo)和钌(Ru)同位素来源问题的认知。

      图片图 研究揭示3α反应增强抑制超新星核合成。图片来源 | Nature

      在爆发性核天体环境中,高温度、高密度的自由中子和质子会与霍伊尔态的碳-12作用,强化了7.56MeV的霍伊尔态放出一个4.44MeV伽马光子,褪激到碳-12的第一激发态上,这使得霍伊尔态宽度增加,从而增强了3α反应率。反应率的增强意味着,同样的时间里会有更多的碳-12产生,当这个结论应用在具体的天体环境中,神秘的事情就将发生。

      研究人员把目光放在了丰中子环境的超新星爆发核合成上。超新星核塌缩后所释放的大量能量,被中微子携带会驱动丰质子环境的物质流,主要包含温度超过100亿度的达到统计平衡的自由质子和中子。随着物质流快速的延展,其温度也急速下降,在30亿到50亿度之间,3α反应开始形成碳-12,随后可以形成镍-56、锌-60和锗-64等中质比相同的核。这些核随着温度继续降低,以(p,γ)反应的形式产生了大量的远离稳定β衰变线的丰质子核素。随着温度降到10亿度以内,以上过程归寂,不稳定核以β衰变的形式回到稳定线。这就是中微子质子俘获过程。

      研究者们把增强的3α反应率植入到中微子质子俘获过程的脚本,使用天网核合成演化计算网络,进行海量场景的计算。结果显示核合成被强烈抑制。这是因为,碳-12是中微子质子俘获过程演化中的种子,当更多的种子产生后,肥料(质子)就相对不够了,导致普遍发育不足。

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      图 在Ye=0.6, τ=10ms,S=80(黑),140(绿),200(红)的环境下,实线代表增长的3α反应率,虚线是没有增长的,可以看到核合成均被明显的压制,重核素边界的质量数均被降低10到20。图片来源 | Nature

      具体观察这种发育不足对每一种核素的影响,研究者们获得了一个重大且颠覆性的结论。长期以来,科学家们都认为,钼-92、钼-94、钌-96、钌-98等核只能在中微子质子俘获过程中产生。然而,增强的3α反应指出,在中微子质子俘获过程中,它们的来源依旧无法解释。

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      图 随着熵的变化,考虑了增强的3α反应率和未考虑的所对应的钼-92、钼-94、钌-96、钌-98相对丰度。实线代表使用了反应率增强的中心值,虚线使用了反应率不确定度的上限,两者均显示这些核的合成会有呈量级式的抑制,表明中微子质子俘获过程不是钼-92、钼-94、钌-96、钌-98产生的场所。图片来源 | Nature

      本工作的作者之一,原美国国家超导回旋加速器实验室主任Sam Austin对此表示:“这多少让人有些失望,我们以为我们了解了,但我们其实了解的不够”。作为一位90高龄还很活跃的科学家,Sam长年对3α反应保持兴趣,并且乐于引领年轻人,眼下的状况将促使他继续不停歇的探索。而另一位作者Hendrik Schatz, 美国国家科学基金会前沿物理中心JINA-CEE主任,则乐观的多:“进步来自于矛盾,我喜欢进步,尽管它毁掉了我最喜欢的理论”。

      这个工作的意义在于,它推翻了我们过去固有的认识,然而推翻本身就是一种进步。科学家们对钼和钌同位素来源的探索不会停步,除了继续寻找合适的天体环境,另一方面,地面实验室给出的重要实验数据也是一个重要的依据。

      现有的模型大量依赖理论预计的物理量,包扩原子核质量、俘获反应率、β衰变寿命、Q值、裂变性质等等。此刻,在广东省惠州市惠东县的海边,一座强流重离子加速器装置正在紧张的建设中,未来将为一大批与天体核合成相关的实验测量提供机遇。这些测量将会提供坚固的数据基石,更为精准地雕琢我们对元素起源的认识。

      撰写:金仕纶
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      涨知识了,楼主辛苦了,谢谢楼主!
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