太阳诞生记：宇宙史上慢长的“快递开箱”

太阳，是地球生命不可或缺的存在。对于古人来说，太阳如此神秘，他们将其视为神灵和信仰。伴随着科技的进步，人们逐渐对太阳有了更加深入而理性的认知。

现在我们知道，太阳大约诞生于46亿年前，它是离地球最近的恒星，通过核聚变产生巨大的能量，照亮太阳系的星空。然而，关于这个我们看似最熟悉的天体，仍然有很多科学问题并没有完全清楚的答案，比如：在诞生前，太阳的形成究竟用了多久？它在最近百万年间的演化中稳定吗？

最近，一个由多国科学家组成的国际研究团队，通过一项巧妙的实验研究，在深入理解这些问题的进程中迈出了重要一步。

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原子核性质研究解码太阳形成时间

从分子云团到最终成型，太阳的形成其实是一个漫长的过程。科学家们发现，通过分析太阳形成初期产生的长寿命放射性核素的衰变产物，可以推断出太阳形成所需的大概时间。

这些放射性核素主要通过慢中子俘获过程产生，而这一过程发生在太阳系附近的渐近巨星分支（AGB）恒星中。尽管46亿年间，这些核素早已全部衰变，但它们的衰变产物仍然在陨石中留下了可以被检测到的微量过剩丰度。

图 太阳系与AGB恒星艺术图 图源| Danielle Adams for TRIUMF

在这些核素中，铅-205是较为特别的一种。在地球上，它的半衰期长达1700万年，而且是唯一一种仅由慢中子俘获过程产生的放射性核素。它的丰度为研究太阳形成提供了独特的科学依据。

在AGB恒星环境中，铅-205的最终丰度由铅-205与铊-205之间的衰变率决定。有趣的是，在恒星环境中，铅-205与铊-205的衰变关系就如同是“跷跷板”，两个方向的衰变都有可能发生。几亿开尔文的温度足以使铊-205原子完全电离,并通过一种极为罕见的衰变模式（束缚态β衰变）产生铅-205的第一激发态。铅-205的第一激发态仅比基态高出2.3千电子伏特，在高温环境中，铅-205有很大的概率处于激发态上。反过来，处于激发态的中性铅-205也能更快地通过轨道电子俘获衰变成铊-205。

图 铊-205和铅-205在天体环境中元素合成过程的路径及相关能级信息。左图表示与铊-205和铅-205相关的慢中子俘获过程路径（蓝色箭头）以及其它核衰变路径。右图显示了铊-205和铅-205在不同电离状态下的能级关系。图源| Nature

影响铅-205与铊-205之间衰变率的决定性因素是恒星的温度、电子密度以及核跃迁强度。而核跃迁强度正是衰变率理论计算中最大的未知数。

长期以来，因为实验测量完全电离离子的束缚态β衰变非常困难，科学家们一直无法得到相应的核跃迁强度，也就无法清楚了解AGB恒星中铅-205的产生机制和准确丰度。

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一项跨越40年的创新实验研究

这个未知数由近期发表于《自然》杂志上的一项巧妙实验得到了揭晓。来自12个国家、37个机构的科学家组成的国际研究团队首次成功测量了全剥离的铊-205离子的束缚态β衰变寿命，从而成功推导出核跃迁强度。

科学家们希望通过实验来研究在恒星中发生的稀有衰变。而要实现测量，就必须创造条件，在实验室中模拟恒星的环境。在地球上，铅-205通过轨道电子俘获衰变为铊-205。由于铅-205与其子体铊-205之间的能量差异极小，考虑到核外电子的束缚能后，这个衰变过程可能被倒转过来。也就是说，如果所有电子都被移除，衰变中母体和子体的角色就会颠倒，铊-205会经历束缚态β衰变成为铅-205。

从20世纪80年代提出实验设想到最终实现，这项充满挑战性的研究凝聚了数十年的技术积累和几代科学家的努力。这一测量首先要产生全剥离的205Tl81+离子，并将其保持在全剥离状态数小时以上。在全球范围内，目前只有GSI/FAIR重离子实验储存环（ESR）与碎片分离器（FRS）结合的设施能够实现这一目标。

图 GSI/FAIR重离子实验储存环 图源| GSI/FAIR

为了满足实验需求，团队还研发了多项关键技术，包括通过核反应生成全剥离的铊-205，在碎片分离器中进行目标离子的纯化和分离，以及在储存环内对离子进行积累、冷却、储存和测量等技术。

实验结果远超过现有理论预期。测量得到的205Tl81+束缚态β衰变半衰期约为291天，是理论预期值的4.7倍。基于该测量结果，研究团队成功推导出相应的核跃迁强度，并进一步准确计算出铅-205与铊-205“衰变对”在AGB恒星条件下的衰变率。

图 实验装置示意图 图| 陈瑞九

研究团队将实验结果结合天体物理模型，成功计算出了铅-205在AGB恒星中慢中子俘获过程的产生量，并通过与陨石中监测到的铅-205的丰度相比较发现：从母分子云形成太阳的时间为1千万到2千万年。该结果与通过其它放射性核素（由慢中子俘获过程产生）推导出来的结果一致。

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了解太阳演化历史的突破口

这项实验研究，还为人们理解太阳长期稳定性提供了重要信息。

太阳在核聚变过程中会释放出中微子，这些粒子为我们探索太阳内部动态提供了重要线索。尽管现代中微子探测器能够揭示太阳当前的活动情况，但太阳在数百万年间（这一时间段内地球曾经历显著的气候变化）的稳定性仍是一个未解之谜。

为了深入研究这一问题，科学家于上世纪80年代提出红铊矿实验（LOREX）。该实验利用北马其顿境内Allchar矿场富含红铊矿的地质资源，旨在测量过去400万年间太阳中微子通量的平均值。LOREX是目前唯一还在运行中的研究太阳中微子长期历史的地球化学实验。

图 红铊矿 图源| LOREX合作组

太阳核心的质子-质子聚变反应产生的中微子能量极低（小于422千电子伏特），探测这些中微子极具挑战性。而铊-205在已知核素中具有最低的中微子俘获阈值（50.6千电子伏），是探测太阳中微子的理想核素。

太阳产生的中微子与红铊矿中的铊-205原子相互作用，将其转变为铅-205原子。铅-205在地球上的半衰期长达1700万年，其在400万年地质时间内几乎完全稳定，因此它能很好地记录太阳中微子活动。然而，因为铊-205的中微子俘获截面极小，至今无法直接测量。

基于上文提到的全剥离铊-205离子束缚态β衰变寿命的实验测量，研究团队间接获得了核跃迁矩阵元的大小，从而首次精确计算了铊-205的中微子反应截面，并得出太阳中微子总俘获率为92±14SNU（太阳中微子单位）。

图 铊-205（205Tl81+）离子的束缚态β衰变过程及其产物铅-205（205Pb81+）的生成示意图。该实验通过高精度储存环测量，为研究太阳形成时间、AGB恒星中放射性同位素的产生机制及太阳中微子通量测量实验提供了重要数据。图源| GSI MPIK NASA

这项研究成果为LOREX实验未来的发展指明了方向。根据实验数据估算，每克纯红铊矿样品中仅有约14(4)个铅-205原子由太阳中微子产生。LOREX实验目前从10.5吨Allchar矿石中仅提取了405.5克纯红铊矿晶体，总计约含5677(1622)个铅-205原子，信噪比仅为3.5倍标准差。这使得在现有实验条件下实现统计显著的测量难度极大。要提高实验灵敏度，LOREX需要收集更多纯化红铊矿晶体，同时从更深的地质层采样以减少宇宙线和地质因素带来的系统误差。

虽然还面临较大挑战，但如果科学家们未来能够成功确定红铊矿中铅-205原子的丰度，将为太阳在过去400万年间的演化历史及其与地球气候变化之间的联系，提供重要的科学见解。

论文链接：

来源：中国科学院近代物理研究所

原标题：太阳形成究竟用了多长时间？

编辑：亦山

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