發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上的論文中，一個國際科學(xué)家研究團隊報告說，隕石的放射性揭示了我們太陽系中最重元素的起源。

    該研究由作為國際核天體物理學(xué)研究網(wǎng)絡(luò)（IReNA）和核天體物理聯(lián)合研究所——元素演化中心（JINA-CEE）的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)。

    研究團隊回顧到46億年前的太陽系形成過程，獲得了對周期表中最重元素的宇宙起源的新見解。如圖所示太陽系的形成，記錄了放射性核被摻入會變成隕石的固體中的那一刻。

什么是最重元素？

    最重原子核（heaviest atomic nuclei）是在核反應(yīng)中產(chǎn)生的，該反應(yīng)將大小不等的另外兩個核合并為一個核。一般來講，兩個原子核之間的質(zhì)量越不相等，兩個原子核發(fā)生反應(yīng)的可能性就越大。將較重核制成的材料制成目標，然后由較輕核束轟擊。如果兩個原子核彼此靠近得足夠近，它們就只能融合成一個原子核。

    通常，核（全部帶正電）由于靜電排斥而互相排斥。強相互作用能夠克服這個斥力，但僅限于從核很短的距離。因此，束核很大以至使這種排斥與束核的速度相比微不足道，而被加速。靠得很近還不足以使兩個原子核融合：當兩個原子核互相靠近時，它們通常會保持在一起約10^-20 秒，然后分開，而不是形成單個核。如果確實發(fā)生了聚變，則被稱為復(fù)合核的臨時合并為激發(fā)態(tài)。為了失去其激發(fā)能并達到更穩(wěn)定的狀態(tài)，復(fù)合核要么裂變、要么發(fā)射出一個或幾個中子帶走能量。這發(fā)生在初始碰撞后大約10^-16秒。

    如圖所示核聚變反應(yīng)示意圖。兩個核融合成一個，發(fā)射出一個中子。到目前為止，產(chǎn)生新元素的反應(yīng)是相似的，唯一可能的區(qū)別是有時會釋放幾個奇異中子，或者根本不會釋放。

    強烈的相互作用提供了核的穩(wěn)定性。但是，它的范圍很短。隨著原子核變大，其對最外面的核子（質(zhì)子和中子）的影響減弱。同時，由于質(zhì)子之間的距離，質(zhì)子之間的靜電排斥力使原子核破裂。因此，從理論上預(yù)測了最重元素的核，到目前為止，已經(jīng)觀察到主要通過由這種排斥引起的衰變模式進行衰變：α衰變和自發(fā)裂變；這些模式主要是超重元素的原子核。

    因此，旨在合成最重元素之一的物理學(xué)家可獲得的信息是在檢測器處收集的信息：粒子到達檢測器的位置、能量和時間以及其衰減的信息。物理學(xué)家分析了這些數(shù)據(jù)并試圖得出結(jié)論，它確實是由一種新元素引起的。

最重元素之謎

    數(shù)十年來，什么樣的天文學(xué)事件可以產(chǎn)生最重的元素一直是個謎。目前，人們認為一種稱為R-過程的可能發(fā)生在兩個中子星之間，中子星與黑洞之間的劇烈碰撞中，或者在大質(zhì)量恒星死亡后發(fā)生的罕見爆炸中。

    我們?nèi)粘Ｉ钪兴龅降闹卦?，例如鐵和銀，在137億年前的宇宙誕生之初尚不存在。它們是通過稱為核合成（nucleosynthesis）的核反應(yīng)產(chǎn)生的，核反應(yīng)將原子結(jié)合在一起。特別是碘、金、鉑、鈾、钚和鋦等最重元素）是通過R-過程的特定類型的核合成而生成的。

    R-過程，英文全稱：rapid neutron-capture process, 縮寫為 r-process，或稱為快中子捕獲過程，是在核心發(fā)生塌縮的超新星中創(chuàng)造富含中子且比鐵重的元素的程序，并創(chuàng)造了大約一半的數(shù)量。

    如此高能的事件在宇宙中很少發(fā)生。當它們發(fā)生時，中子被結(jié)合到原子核中，然后轉(zhuǎn)化為質(zhì)子。由于元素周期表中的元素由原子核中的質(zhì)子數(shù)定義，因此r過程會隨著捕獲更多中子而建立更重的原子核。

    R-過程產(chǎn)生的某些原子核是放射性的，需要數(shù)百萬年才能衰變成穩(wěn)定的原子核。碘-129和鋦-247是在太陽形成之前產(chǎn)生的兩個這樣的核。它們被摻入固體中，這些固體最終以隕石的形式落在地球表面上。在這些隕石內(nèi)部，放射性衰變產(chǎn)生了過量的穩(wěn)定核。如今，可以在實驗室中測量這種過量，以計算出剛剛形成的太陽系中存在的碘-129和鋦-247的量。

    為什么這兩個R-過程核如此特殊？它們具有共同的特性：它們以幾乎完全相同的速率衰減。換句話說，數(shù)十億年前，碘-129和鋦-247之間的比例就沒有改變。

    研究人員說，“這是一個令人驚訝的巧合，特別是考慮到這些原子核是僅能在隕石中測量的五個放射性R-過程核中的兩個，”   “隨著碘-129與鋦-247的比例被及時凍結(jié)，就像史前的化石一樣，我們可以直接觀察最后一波重元素生產(chǎn)浪潮，該浪潮構(gòu)成了太陽系的組成以及其中的一切?！?/p>

    帶有53個質(zhì)子的碘比帶有96個質(zhì)子的鋦更容易生成。這是因為需要更多的中子捕獲反應(yīng)才能達到鋦的更多質(zhì)子數(shù)。因此，碘-129與鋦-247的比例在很大程度上取決于其生成過程中可用的中子數(shù)量。

    研究小組計算了中子星和黑洞之間碰撞產(chǎn)生的碘-129與鋦-247的比率，以找到合適的條件來再現(xiàn)隕石的成分。他們得出的結(jié)論是，在太陽系誕生之前的最后一個R-過程事件中可用的中子數(shù)量不能太高。否則，相對于碘會產(chǎn)生過多的鋦。這意味著非常富中子的源（例如在碰撞過程中從中子星表面剝落的物質(zhì)）可能沒有發(fā)揮重要作用。

那么，是什么產(chǎn)生了這些R-過程核？

    盡管研究人員可以提供有關(guān)其制作方法的新穎而有見地的信息，但他們無法確定創(chuàng)造它們的天文物體的性質(zhì)。這是因為核合成模型是基于不確定的核特性，因此，尚不清楚如何將中子的可利用性與特定的天文物體（例如大質(zhì)量恒星爆炸和碰撞中子星）聯(lián)系起來。

    研究人員表示：“碘-129與鋦-247的比率能夠更直接地反映出重元素核合成的基本性質(zhì)的能力是一個令人興奮的未來?！苯柚@種新的診斷工具，天文學(xué)模擬的保真度和對核特性的理解方面的進步可以揭示哪些天文物體構(gòu)成了太陽系中最重的元素。