你手机里的黄金、骨头里的钙,追根溯源都产自恒星。但有一种元素,让天文学家头疼了几十年——锶。它能让烟花烧出亮红色,也用在夜光涂料里。问题出在:在那些宇宙诞生后不久就形成的古老恒星里,锶的含量总是比理论模型算出来的多得多。最近,一篇发表在《自然·通讯·物理》上的论文,由密歇根州立大学研究生Caley M. Harris领衔的一大批研究者,给出了一个答案。而为了找到这个答案,他们做了一场相当精巧的实验室操作。
先搞懂一件事:宇宙怎么"炼"元素
![]()
几十年来,天体物理学家相信,制造"金属"——这里指的是任何比氦重的元素——有两条路。一条是慢速的"s过程",发生在垂死恒星内部;另一条是快速的"r过程",发生在超新星这类爆炸事件中。
但科学家回头去看那些更古老的恒星时,情况有点不对劲。特别是被称为"碳增丰贫金属星"(CEMP星)的那一批——它们形成于宇宙诞生后不久——其中一些较重元素的比值,跟上面两条路都对不上。
于是研究者提出了第三条路:中间中子俘获过程,简称"i过程"。用它来解释这批恒星的元素比值,吻合度好得多。只有一样东西例外。
那个对不上账的元素:锶
在实际观测中,锶出现的频率远高于模拟结果。论文指出,这里有一个具体的"嫌疑人"——天文学家不知道氪-88的中子俘获率是多少。
听起来像是跑题了,但这两件事直接相关。氪-88是一种强放射性元素,半衰期只有2.8小时。在它存在的这段时间里,可以走两条路:要么吸收一个中子,变成氪-89,最终衰变成钇-89这样的更重元素;要么不吸收中子,发生β衰变变成铷-88,然后迅速衰变成——你猜对了——锶-88。
问题就在于,科学家完全不知道氪-88吸收中子的效率有多高。他们在模型里只能靠猜。而从观测证据看,这个猜测显然是错的。
这就引出了下一个难题:一个半衰期只有几个小时的元素,你怎么去测它的中子吸收率?
不测氪-88,改测一个只活4秒的家伙
理论上,你可以收集一堆氪-88,拿中子去轰它,看会发生什么。但研究团队想出了一个更优雅的办法。
他们转向了阿贡国家实验室的加州锎稀有同位素增殖升级装置。他们没有把中子束打向氪-88,而是打向了溴-89——它的半衰期是4.357秒,你大概也没猜到。
诀窍在于:溴-89会衰变成氪-89。研究这个原子核,就能反推它那个稍轻一点的同位素兄弟有什么本事。
他们把测试样品放进一台高度专业化的仪器里,叫做Summing NaI(SuN)探测器。这台探测器盯着新形成的氪-89冷却时放出的伽马射线,从中提取出两个非常具体的数值——核能级密度和伽马射线强度函数。拿到这两个数,研究者就能用数学方法直接反推出氪-88的中子俘获率。
把新数值塞进模型,锶对上了
把这个新测出的实验值代入用于计算CEMP星同位素比值的模型后,结果几乎完美吻合,锶的含量显著提高。事实上,锶与钇的比值——钇是这条核合成链上另一个长寿命产物——也几乎完美地对上了。
就这样,地球上的一束 fancy 同位素束流和一台探测器,解决了一个困扰天文学家几十年的谜题。这种跨领域的合作不是每天都有,但当它发生、并且像这次一样顺利时,确实值得一看。也许,在这个案例里,研究团队可以用一场红色的烟花来庆祝一下。
这件事为什么值得你多看一眼
你可能会想,锶多一点少一点,跟我有什么关系?关系在于,我们身体里的每一个重元素,都经历过类似的核合成链条。搞清楚锶在古老恒星里是怎么来的,本质上是在搞清楚宇宙这台"元素工厂"的配方表。
而这次的方法本身也很有意思:不去直接测量那个测不了的东西,而是找一个能测的"替身",通过它反推出目标值。这种思路在核物理和天体物理的交叉地带,正在变成一种常规操作。
至于氪-88的中子俘获率到底是多少,论文给出了具体数值。但更重要的是,它让一个悬了几十年的观测异常,终于有了一个能对得上账的解释。
特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.