碳-12，一個包含6個中子和6個質(zhì)子的核素，是一個對人類極為重要，甚至可以說是最重要的原子核。
碳（C）,是所有元素中化合物種類最多的，已記錄的有1千萬種之多。碳的化合物是地球上所有生物的化學(xué)基礎(chǔ)，因此碳元素可以說是我們的生命元素。
人類已經(jīng)在各個層面上對碳開展了大量的探索、研究和應(yīng)用。今天，我們主要關(guān)心碳元素的起源。在此之前，我們先來大致了解一下宇宙中的元素是怎么來的？咱們可千萬不能說，元素是從地下挖出來的。因為在浩瀚的宇宙中，地球只是星際塵埃凝聚成的一個小球。而我們要探尋的，是這些塵埃的第一出生地。
宇宙中所有元素誕生的產(chǎn)房，基本可以分為3類：
1. 宇宙大爆炸初期產(chǎn)生的氫（H）、氦（He）和少量的鋰（Li）三種元素，他們的產(chǎn)生被稱為元祖核合成，這大約發(fā)生在大爆炸后的3分鐘里。
2. 在大爆炸后的10億年左右，恒星開始形成，也提供了最重要的元素合成溫床?，F(xiàn)有的恒星模型就像一個很熱的洋蔥，有很多不同的燃燒層組成。外層的輕質(zhì)量元素的燃燒產(chǎn)物，進(jìn)入內(nèi)層并成為燃料并產(chǎn)生更重的產(chǎn)物，直到最后達(dá)到核芯。
圖 恒星核合成的洋蔥模型 圖片來源 | NASA
核芯區(qū)域通常是以鐵（Fe）元素為主，往后就沒有辦法繼續(xù)燃燒了，這是因為環(huán)境溫度無法克服兩個Fe之間的庫倫排斥力而將它們點(diǎn)燃，于是需要：
3. 爆發(fā)性核合成，它有許多不同的形式，如2017年美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）率先通過引力波發(fā)現(xiàn)的雙中子星合并的千新星爆發(fā)，1987年塔蘭圖拉毒蛛星云超新星爆發(fā)，含中子星雙星系統(tǒng)的X射線暴等等。
圖 右側(cè)中部亮點(diǎn)為SN1987a超新星爆發(fā)，非常亮，是夜空中最亮的星。圖片來源 | ESO Schmidt Telescope
爆發(fā)性核合成場景各不相同，偏好產(chǎn)出也不同，但共有的基本性質(zhì)就是可以產(chǎn)生高溫度、高密度的極端環(huán)境從而滿足合成需要的條件。
從核反應(yīng)的角度來看，之前恒星中燃燒過程對應(yīng)的熔合反應(yīng)無以為繼，取而代之的是：中子俘獲反應(yīng)、質(zhì)子俘獲反應(yīng)、光致解離、裂變反應(yīng)、β衰變反應(yīng)等等。核天體物理學(xué)家在抽象了各種場景后，提取出多種過程去解釋不同區(qū)域原子核的誕生。
這個領(lǐng)域也是當(dāng)前核物理與核天體物理最為關(guān)心的，因為這里可以回應(yīng)目前尚未確定的一個基本科學(xué)問題：宇宙中比鐵重的元素是如何產(chǎn)生的？
除這三項外，宇宙射線也被認(rèn)為是某些核合成可能的場景。
以上粗略繪制了元素合成的大致圖像，下面來看我們關(guān)注的重點(diǎn)——碳-12是如何產(chǎn)生的。
1
2
除卻少部分在豐中子超新星爆發(fā)中經(jīng)由鈹-9的(α,n)反應(yīng)產(chǎn)生，宇宙中最主要的碳-12都是通過3α反應(yīng)產(chǎn)生的，即α+α+α->12C。這里的α粒子指的就是一個氦-4。它發(fā)生的地點(diǎn)是在紅巨星的氦燃燒層內(nèi)。
3α反應(yīng)是由弗雷德·霍伊爾爵士于1956年通過理論計算提出的，并得到了廣泛的認(rèn)可。他指出，存在一個7.7MeV的2+(2表示自璇，+表示宇稱)激發(fā)態(tài)，由極短壽命的鈹-8共振態(tài)可以俘獲一個α從而形成碳-12。隨后在1957年，實(shí)驗上發(fā)現(xiàn)了這個態(tài)，由此確定了碳-12產(chǎn)生的機(jī)制，這個態(tài)也被稱之為霍伊爾態(tài)。在此需要說明的是，Salpeter在1952年曾給出了和霍伊爾一樣的理論預(yù)測。
圖 弗雷德·霍伊爾 圖片來源 | 加州理工學(xué)院
霍伊爾爵士因此也深孚眾望，乃至于宇宙大爆炸理論的創(chuàng)始人伽莫夫為此自編了新的圣經(jīng)創(chuàng)世紀(jì)，講到上帝在創(chuàng)造質(zhì)量大于5的物質(zhì)時遇到困難，隨即說“要有霍伊爾”，然后霍伊爾誕生，重元素才被制作出來。
3α反應(yīng)具有十分積極的意義，在許多方面都是一個最重要的反應(yīng)。在天然穩(wěn)定元素中沒有質(zhì)量數(shù)為5和8的任何元素，3α反應(yīng)建立了一座質(zhì)量數(shù)從4(氦-4)到12(碳-12)的橋梁，從而跨越了這個罅隙。當(dāng)碳-12誕生以后，隨后大量不同天體場景下的核合成演化路徑成為可能。
以上就是核合成及3α反應(yīng)的簡介。作為碳基生物的人類，通過自身的意識創(chuàng)造的知識反過來認(rèn)識到了碳本身的來源及演化，這毫無疑問的彰顯出了智慧的光芒與人類的尊嚴(yán)。
最近，來自中國科學(xué)院近代物理研究所的金仕綸與美國密西根州立大學(xué)國家超導(dǎo)加速器國家實(shí)驗室的合作者在核合成及3α反應(yīng)的研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在Nature上。
研究者們指出，在高溫高密度的核天體環(huán)境下，3α反應(yīng)的增強(qiáng)會帶來碳-12的產(chǎn)量增大，繼而減弱了豐質(zhì)子環(huán)境的超新星核合成。該研究改變了人們對鉬（Mo）和釕（Ru）同位素來源問題的認(rèn)知。
圖 研究揭示3α反應(yīng)增強(qiáng)抑制超新星核合成。圖片來源 | Nature
在爆發(fā)性核天體環(huán)境中，高溫度、高密度的自由中子和質(zhì)子會與霍伊爾態(tài)的碳-12作用，強(qiáng)化了7.56MeV的霍伊爾態(tài)放出一個4.44MeV伽馬光子，褪激到碳-12的第一激發(fā)態(tài)上，這使得霍伊爾態(tài)寬度增加，從而增強(qiáng)了3α反應(yīng)率。反應(yīng)率的增強(qiáng)意味著，同樣的時間里會有更多的碳-12產(chǎn)生，當(dāng)這個結(jié)論應(yīng)用在具體的天體環(huán)境中，神秘的事情就將發(fā)生。
研究人員把目光放在了豐中子環(huán)境的超新星爆發(fā)核合成上。超新星核塌縮后所釋放的大量能量，被中微子攜帶會驅(qū)動豐質(zhì)子環(huán)境的物質(zhì)流，主要包含溫度超過100億度的達(dá)到統(tǒng)計平衡的自由質(zhì)子和中子。隨著物質(zhì)流快速的延展，其溫度也急速下降，在30億到50億度之間，3α反應(yīng)開始形成碳-12，隨后可以形成鎳-56、鋅-60和鍺-64等中質(zhì)比相同的核。這些核隨著溫度繼續(xù)降低，以(p,γ)反應(yīng)的形式產(chǎn)生了大量的遠(yuǎn)離穩(wěn)定β衰變線的豐質(zhì)子核素。隨著溫度降到10億度以內(nèi)，以上過程歸寂，不穩(wěn)定核以β衰變的形式回到穩(wěn)定線。這就是中微子質(zhì)子俘獲過程。
研究者們把增強(qiáng)的3α反應(yīng)率植入到中微子質(zhì)子俘獲過程的腳本，使用天網(wǎng)核合成演化計算網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行海量場景的計算。結(jié)果顯示核合成被強(qiáng)烈抑制。這是因為，碳-12是中微子質(zhì)子俘獲過程演化中的種子，當(dāng)更多的種子產(chǎn)生后，肥料(質(zhì)子)就相對不夠了，導(dǎo)致普遍發(fā)育不足。
圖 在Ye=0.6, τ=10ms，S=80(黑)，140(綠)，200(紅)的環(huán)境下，實(shí)線代表增長的3α反應(yīng)率，虛線是沒有增長的，可以看到核合成均被明顯的壓制，重核素邊界的質(zhì)量數(shù)均被降低10到20。圖片來源 | Nature
具體觀察這種發(fā)育不足對每一種核素的影響，研究者們獲得了一個重大且顛覆性的結(jié)論。長期以來，科學(xué)家們都認(rèn)為，鉬-92、鉬-94、釕-96、釕-98等核只能在中微子質(zhì)子俘獲過程中產(chǎn)生。然而，增強(qiáng)的3α反應(yīng)指出，在中微子質(zhì)子俘獲過程中，它們的來源依舊無法解釋。
圖 隨著熵的變化，考慮了增強(qiáng)的3α反應(yīng)率和未考慮的所對應(yīng)的鉬-92、鉬-94、釕-96、釕-98相對豐度。實(shí)線代表使用了反應(yīng)率增強(qiáng)的中心值，虛線使用了反應(yīng)率不確定度的上限，兩者均顯示這些核的合成會有呈量級式的抑制，表明中微子質(zhì)子俘獲過程不是鉬-92、鉬-94、釕-96、釕-98產(chǎn)生的場所。圖片來源 | Nature
本工作的作者之一，原美國國家超導(dǎo)回旋加速器實(shí)驗室主任Sam Austin對此表示：“這多少讓人有些失望，我們以為我們了解了，但我們其實(shí)了解的不夠”。作為一位90高齡還很活躍的科學(xué)家，Sam長年對3α反應(yīng)保持興趣，并且樂于引領(lǐng)年輕人，眼下的狀況將促使他繼續(xù)不停歇的探索。而另一位作者Hendrik Schatz, 美國國家科學(xué)基金會前沿物理中心JINA-CEE主任，則樂觀的多：“進(jìn)步來自于矛盾，我喜歡進(jìn)步，盡管它毀掉了我最喜歡的理論”。
這個工作的意義在于，它推翻了我們過去固有的認(rèn)識，然而推翻本身就是一種進(jìn)步。科學(xué)家們對鉬和釕同位素來源的探索不會停步，除了繼續(xù)尋找合適的天體環(huán)境，另一方面，地面實(shí)驗室給出的重要實(shí)驗數(shù)據(jù)也是一個重要的依據(jù)。
現(xiàn)有的模型大量依賴?yán)碚擃A(yù)計的物理量，包擴(kuò)原子核質(zhì)量、俘獲反應(yīng)率、β衰變壽命、Q值、裂變性質(zhì)等等。此刻，在廣東省惠州市惠東縣的海邊，一座強(qiáng)流重離子加速器裝置正在緊張的建設(shè)中，未來將為一大批與天體核合成相關(guān)的實(shí)驗測量提供機(jī)遇。這些測量將會提供堅固的數(shù)據(jù)基石，更為精準(zhǔn)地雕琢我們對元素起源的認(rèn)識。
聯(lián)系客服
