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来自星星的元素

2018-05-09  钰鉴咖

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66年前,在美国加州帕萨迪纳的威尔逊山天文台上,天文学家 Paul Merrill 用一台望远镜对天空进行观测。当他在观察一颗来自遥远恒星所释放出的光芒时,惊奇地发现了元素(technetium)的踪迹。


○ Paul Merrill站在威尔逊山天文台上的60英寸望远镜上的摄谱仪边。| 图片来源:卡内基科学研究所。

这是一个完全出乎意料之外的发现。锝没有稳定的形态,因此物理学家称其为“人造”元素。Merrill 曾保守地说:“在恒星中找到一个不稳定元素是有些令人惊讶的。”


任何在恒星形成过程中出现的锝,都应该在很久以前就转变成了不同的元素,比如(ruthenium)(molybdenum)。作为一种人造元素,一定有人已经创造出了 Merrill 发现的锝。但在那颗遥远恒星上的锝又是谁创造的呢?


○ 锝原子核在几百万年内转化为钌或钼。所以如果我们现在发现它们,那它们就不会是从宇宙大爆炸中遗留下来的产物。| 图片来源:Erin O'Donnell,密歇根州立大学。

1952年5月2日,Merrill 在《科学》杂志上发表了这一发现。Merrill 所提供的三种解释指向的结果都是:恒星能创造重元素!Merrill 不仅解释了一个令人费解的观测结果,还为我们打开了一扇理解宇宙起源的大门。在科学中,并没有多少新的发现足以彻底改变我们对世界的看法,但是这个发现做到了。它所揭示的新的宇宙绘景简直令人兴奋,而这一发现所带来的影响,到现在仍推动着核科学的研究。


元素从何而来?


在20世纪50年代初,我们尚不清楚构成我们的宇宙、太阳系甚至我们人类自身的元素都是如何形成的。最初,一种广为流行的说法是认为它们全部都源自于宇宙大爆炸。


第一种替代方案是由 Hans Bethe、Carl Friedrich von Weizsäcker、还有 Fred Hoyle 等一批当时著名的科学家所发展的。但是,直到 Merrill 的观察出现之前,并没有谁能真正拿出一套令人信服的理论来解释元素的起源。


Merrill 的发现标志着一个全新领域——恒星核合成——的诞生。它是一门研究元素——或者更准确地说是研究原子核在恒星中如何合成的学科。很快,科学家就开始试图弄清恒星中元素的合成究竟有着怎样的过程。这是核物理必须发挥作用的地方,以帮助解释 Merrill 惊人的观测结果。


恒星中心的原子核聚变


恒星中发生的核过程将丰富的氢原子一步步构建成更重的元素,一路从氦和碳发展到锝、以及更重的元素。


1957年,有四位当时著名的核天文物理学家一同合作,发表了《恒星中元素的合成》一文,他们分别是 Margaret Burbidge、Geoffrey Burbidge、William Fowler 和 Fred Hoyle。这一著作根据四位作者姓氏的开头字母,被称为B2FH。这篇论文至今仍是描述恒星中天体物理过程的一大参考。同年,Al Cameron 也在他的论文《恒星中的核反应和核生成》中阐述了他独立得出的相同理论。


下面便是他们共同努力谱写的故事。


恒星,非常的重。或许你会认为它们会因自身的引力而彻底坍缩——但是,它们并不会。阻止这种坍缩的原因是发生在恒星中心的核聚变反应


○ 当原子核相撞时,它们有时会聚变,形成新的元素。| 图片来源:Borb

一颗恒星包含了数以亿计四处游荡的原子。有时,它们会相互碰撞。一开始恒星的温度太低,因此当原子核发生碰撞时,只会简单地相互弹开。但是,随着恒星因引力的作用而被压缩,其中心处的温度开始升高。在如此高温的条件下,原子核再次相遇时,就有了足够合并在一起的能量。这就是物理学家所说的核聚变反应。


这些核反应能达到两个效果。


首先,它们释放出的能量会增加恒星的温度,从而提供一个向外的压力。这会防止因引力而造成的坍缩,并让恒星在数十亿年间都保持平衡。其次,它们会将较轻的元素融合成较重的元素。从氢气和氦气开始,恒星慢慢地制造出 Merrill 观测到的锝、我们骨骼中的钙、还有首饰中的黄金。


聚变反应发生在恒星的不同部位,锝创造于壳层之中。| 图片来源:ESO, CC BY-ND

许多不同的核反应负责这一切的发生。而在实验室中对它们进行研究是件非常困难的事,因为原子核很难融合。这就是为什么60多年来,核物理学家仍夜以继日的致力于研究驱动着恒星的核反应。


揭开元素的起源之谜


现在,我们有更多的方法来观察整个宇宙中元素诞生的迹象。


古老的恒星在形成之时就记载着宇宙的成分。随着越来越多不同年龄的恒星被我们所发现,它们的成分开始为我们讲述着星系中元素合成的故事,从它们形成于宇宙大爆炸之后的不久到今天。


研究人员了解得越多,所得到的图景就越是复杂。在过去10年中,天文观测为元素创造的过程提供了比预期更为宽广的证据。对于其中的一些过程,我们甚至无法知道它们出现在哪种恒星或恒星爆炸中。但是天体物理学家认为,所有这些与恒星有关的事件都已经对漩涡状尘埃云的形成提供了它们特有的元素混合。这些旋涡状尘埃云最终成为了太阳系。


最近的一个例子是去年世界各地的科学家同时探测到了双中子星合并事件所辐射出的引力波和电磁波信号。这一观测结果表明,双中子星的合并也会对宇宙中的重元素的产生做出巨大贡献——它们创造出的是手机中使用的铽、钕和镝等所谓的镧系元素。就像当时 Merrill 作出的发现一样,世界各地的核科学家正争先恐后地运转着他们的加速器,试图弄清楚究竟是怎样的核反应才可能解释所有这些新的观测结果。


 

 现代的核合成实验会通过核物理设备运行,其中包括粒子加速器。| 图片来源:美国国家超导回旋加速器实验室。

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