作者:沈雯 《原理》编辑
理论上,当两颗中子星相撞时, 会产生比地球上最重的元素还要重的超重元素。 不过,这些超重元素非常不稳定, 他们会迅速通过裂变分解, 产生较轻的元素。 但一直以来,没有人能够证明宇宙中确实会发生这样的裂变。 直到2023年12月7日, 在一项发表于《科学》杂志的研究中, 研究人员表示他们首次找到了 比铀更重的元素发生裂变的证据。 要理解这是怎么回事,就让我们从元素的起源开始说起。
元素周期表,大家都非常熟悉,它所包含的元素其实并不是一直都存在的。实际上,元素起源的故事要回到138亿年前的大爆炸。在大爆炸后的约15分钟, 宇宙中才产生了第一批的化学元素: 氢、氦和少量的锂。 这三个元素也是元素周期表中的前三个元素,除了这三种元素外,早期宇宙中没有任何其他更重的元素了。
随着时间的推移,在大爆炸约一亿年后, 宇宙中形成了第一批恒星。 在那之后,恒星便成为了元素的制造厂。在恒星的核心, 核聚变会使氢变成氦。 只要有足够的燃料, 聚变就会一直发生下去。 但正如生命一样,恒星也会死亡。在恒星的演化末期,随着燃料的耗尽,它们会以越来越快的速度制造重元素。在一段时间内, 恒星内的氦会转化为碳和氧。 之后,氧会聚变成硅、磷和硫。 在恒星漫长生命的最后阶段, 它会产生像铁这样的金属。一旦恒星开始产生铁,就再也没有任何事物可以阻止引力的无情摧毁。在不到一秒种的时间里,恒星会在自身的引力下坍缩,然后爆炸成超新星,向宇宙中喷射出新生成的元素。
宇宙中最重的那些元素,都是由所谓的r过程,也就是快中子捕获过程创造出来的。 在这个过程中,原子核会迅速地吸收中子, 然后经历放射性衰变,从而产生新的元素, 比如铂、金、铀等重元素。
图:当两颗中子星相互并合时,中子和原子核(比如铁核)会飞溅出来,一堆中子会在很短的时间内(通常不到一秒)聚集在原子核上,然后原子核中的中子会衰变,从而形成重元素(比如金)。
R过程需要大量的能量和大量的中子才能实现,所以,它常发生在富含中子的环境中,比如双中子星并合。那些质量是太阳好几倍的恒星,在死亡时,核心就会坍缩成中子星。几年前,天文学家已经在一起重大的双中子星并合事件中,证实了它会产生大量的重元素。
尽管科学家对于r过程的工作原理已经有了大致的了解, 但对于产生比铀更重的元素的r过程仍就知之甚少。 而且由于r过程的发生条件非常极端, 因此也无法在实验室中展开研究。
所以,在新的研究中,为了能更好地理解r过程, 研究人员对银河系中的42颗非常古老的恒星中的各种元素数据, 进行重新梳理和检查。 这些恒星都包含了r过程元素。
通过对这些恒星中发现的每种重元素的数量进行更广泛的观察,他们发现,在这些恒星中,元素钌、铑、钯、银的丰度与一组较重的元素存在相关性,当其中一组元素增加时,另一组中相应的元素也会呈正相关性增加。
在不同的恒星中出现这种现象的唯一合理解释是,在重元素的形成过程中,存在一个统一的过程。研究人员在测试了所有的可能性后,认为裂变是唯一能够重现这一趋势的解释。裂变基本上与聚变相反。它是指重元素分裂产生较轻元素时释放能量的过程。
新的研究结果表明,一些r过程事件可以产生比铀重的元素, 然后它们会衰变成在恒星中观测到的元素。 换句话说, 位于元素周期表中段的一些元素,比如银和铑,很可能是一些重元素裂变的残余。更令人惊讶的是,研究人员发现,R过程可以产生裂变前原子质量数至少为260的元素,其原子核中的中子数远远超过质子。
这项研究不仅提供了宇宙中存在裂变的第一个证据,也大大加深了我们对元素形成的理解。
本文为科普中国·星空计划扶持作品
作者名称:沈雯
审核:张双南 中国科学院高能物理研究所 研究员
出品:中国科协科普部
监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
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