宇宙中铁以上的重核是如何合成的?

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　何建军1*,郭冰2,柳卫平2,赵刚1

　　1.中国科学院国家天文台,北京100012;

　　2.中国原子能科学研究院,北京102413

　　摘要针对21世纪尚未解决的11个重大物理问题之三,即“宇宙中从铁到铀的元素是如何产生的?”进行了系统的阐述,包括问题提出的背景和重要性、主要研究内容、国内外进展以及将来的发展趋势.介绍了产生宇宙中比铁重的元素(简称为超铁元素)的几个主要核合成过程,并总结了相关的研究目标.目前,尚需要精确测量天体核合成路径上关键核素的质量、寿命以及相关核反应的反应截面或者天体物理反应率等核物理输入量;开展天体元素或者同位素丰度的观测研究,以及星际X和γ射线等的卫星观测;发展天体物理模型以及核物理理论模型,最终将可靠的核物理输入量、核天体物理理论模型和天文观测数据相结合,以探索和解决宇宙中超铁元素的来源问题.

　　关键词核天体物理,超铁元素,核反应,核合成,元素丰度观测

　　1问题提出的背景和重要性

　　人类自身和赖以生存的丰富多彩的物质世界是由各种化学元素构成的.宇宙大爆炸3min后开始的原初核合成阶段只产生了氢、氦和少量的锂(其中1H约占75%,4He占25%,而剩余的2H,3He,6Li和7Li质量之和只占十万分之一)[1],而其他化学元素是在各种不同的天体场所通过一系列核过程产生的.在不同温度和密度的天体场所,发生的核过程不同.核过程在大爆炸之后宇宙的演化进程中起着极为重要的作用,其中核反应是合成宇宙中除氢以外所有化学元素的唯一机制,也是恒星抗衡引力收缩和爆发性天体现象的主要能量来源.图1显示了在典型的天体环境中的核合成过程和路径[2].

　　在这里,主要核过程包括:宇宙大爆炸原初核合成(big-bangnucleosynthesis,BBN)、质子-质子链式反应(pp链或氢聚变)[3~5]、碳氮氧循环(CNOcycle)[3~8]、热碳氮氧循环(HCNOcycle)、发生α,p反应的αp-过程、快质子俘获过程(rapidprotoncaptureprocess,简称rp-过程)[6~9]、慢中子俘获过程(slowneutroncaptureprocess,简称s-过程)[10]、快中子俘获过程(rapidneutroncaptureprocess,简称r-过程)[11]、光致解离过程(photo-dissociationprocess,简称p-过程)[12]以及中微子质子过程(neutrino-protonprocess,简称vp-过程)[13,14]等.因此,认识元素的起源就意味着要认识核素演化的过程,同时也要认识发生这些过程的天体场所.没有特定的天体物理环境,这些相应的过程也不可能发生.

　　60年前,威廉·福勒(WilliamFowler,1983年诺贝尔物理学奖得主)等人对恒星演化过程中的核反应进行了系统的实验和理论研究.1957年Burbidge等人[15]以“恒星中元素的合成”为题在美国《现代物理评论》(RevModPhys)上发表了一篇著名的被后人称之为B2FH的论文,阐明了恒星在赫罗图上的演化进程和恒星演化各阶段中发生的各种核合成过程,以及超新星爆发和大质量恒星演化的关系等,标志着核天体物理(nuclearastrophysics)这门交叉学科的正式诞生.

　　2主要研究内容

　　迄今为止,对比铁轻的元素的起源已经有了相对清楚的认知,其产生机制主要包括3种核过程,如图2所示.(1)大爆炸原初核合成产生了宇宙中较轻的元素——氢、氦和锂;(2)宇宙射线(主要是高能轻粒子,如质子和α)的散裂过程(spallationprocess)产生了铍、硼以及部分的锂元素;(3)通过恒星内部带电粒子的熔合聚变,即一系列的核燃烧过程,如氢、氦、碳、氖、氧、硅燃烧,产生了从碳到铁峰以下的各种元素.以大质量恒星演化晚期形成的洋葱头结构为例,由于比铁重的原子核的比结合能随质量数增加而减小,因此它们与质子、α粒子等带电粒子的俘获反应是吸能的(并且随着库仑位垒的增大,反应也难以进行),核心在万有引力的作用下将会不断收缩,当温度达到5GK时,通过光致解离过程,铁核心将会被打碎进而形成中子化的核心,并最终导致Ⅱ型(即核心坍塌型)超新星爆.可以看出,超铁元素难以在恒星的稳定核聚变过程中产生.因此,需要寻找其他合成过程来有效地产生超铁元素.众所周知,中子诱发的核反应不存在库仑位垒,特别是它们的核反应截面在低能区非常大(对于s-波俘获,σ(n,γ)∝1/v),

　　3国内外研究进展和趋势

　　3.1地面实验室

　　最近几十年来,在美国1996,2002,2007,2015年的核科学长期规划和2004,2010年的欧洲科学基金专家委员会NuPECC长期规划publications)中,都把核天体物理作为最重要的研究方向之一.在重要科学和技术目标的牵引下,世界科技强国正在建设大型重离子加速器研究装置,如德国的反质子和离子研究装置(facilityforantiprotonandionresearch,FAIR)、美国的稀有同位素束流装置(facilityforrare-isotopebeams,FRIB)以及法国的在线放射性离子产生系统(systèmedeproductiond'ionsradioactifsenligne-2,SPIRAL2)等.另外,日本理化学研究所建造的放射性束工厂(radioactiveionbeamfactory,RIBF)以及韩国正在建造的稀有同位素科学项目(rareisotopescienceproject,RISP),也都把核天体物理作为非常重要的研究课题.特别地,借助于美国的FRIB装置提供的非常强的放射性束流以及先进的探测手段,可以直接测量s-,r-以及rp-过程中关键核反应的反应率以及一些核素的性质,为研究新星、X射线暴、超新星、中子星及其并合等重要科学问题提供实验数据.FRIB旨在取得世界核天体物理研究的领导者地位.另外,在德国FAIR大装置中有一个ILIMA(isomericbeams,lifetimesandmassescollaboration)合作计划,预期将对核素图上大部分的不稳定核素的质量和寿命进行测量,甚至可以到达快中子俘获r-过程路径上208Pb核区的等待点核.

　　4前景与展望

　　核天体物理是国际前沿的交叉学科,涵盖天体物理、天文、核物理、粒子物理、等离子体物理等.目前,还存在许多挑战性的科学问题,但同时面临着重要突破.我国具有人才、学科、平台的良好基础,未来需要瞄准核天体物理关键科学问题,集聚我国核天体物理研究精英,优势互补,强强联合,实现跨学科的深度交叉融合.基于中国原子能科学研究院、中国科学院近代物理研究所和国家天文台等单位的大科学研究装置,结合国际合作,开展直接和间接、地面和深地的核天体物理实验和理论研究工作.将核物理实验结果、核天体物理模型计算和天文观测数据相结合,为解决宇宙中超铁元素的来源问题等做出重要贡献.同时,打造一支国际一流的核天体物理创新研究团队.瞄准以下国际公认的核天体物理关键科学前沿领域开展研究工作,特别是与宇宙重元素起源相关的:(1)恒星平稳演化阶段最重要的热核反应在天体物理能区的直接测量;(2)爆发性r-过程和rp-过程路径上关键核素质量、寿命及共振态性质的测量;(3)平稳核燃烧s-过程和爆发性r-过程及rp-过程关键核反应截面的间接测量;(4)核天体物理反应和衰变性质的理论研究、数据库和网络方程的建立;(5)天体元素丰度的观测研究以及星际X和γ射线等的卫星观测.实现天文观测、天体物理、核物理的深度交叉.同时,开拓锦屏深地实验室核天体物理测量新方向,在2020年前后建成国际领先的核天体物理深地实验室,取得国际公认的创新性研究成果.

　　参考文献

　　1CyburtRH,FieldsBD,OliveKA,etal.Bigbangnucleosynthesis:Presentstatus.RevModPhys,2016,88:015004

　　2SmithMS,RehmKE.Nuclearastrophysicsmeasurementswithradioactivebeams.AnnuRevNuclPartSci,2001,51:91–130

　　3RolfsCE,RodneyWS.CauldronsintheCosmos:NuclearAstrophysics.Chicago:UniversityofChicagoPress,1988

　　4AdelbergerEG,AustinSM,BahcallJN,etal.Solarfusioncrosssections.RevModPhys,1998,70:1265–1291

　　5AdelbergerEG,GarcíaA,RobertsonRGH,etal.Solarfusioncrosssections.II.TheppchainandCNOcycles.RevModPhys,2011,83:195–245