氧,从何而来?

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宇宙中几乎全部的氧都是在像太阳如许的大质量恒星内部锻造而成的。随着这些恒星的紧缩和燃烧,它们会在焦点内部引发热核反应,碳和氦的原子核可以在那里发生碰撞和聚变。这是一种虽然稀有但却必不可少的核反应,产生了宇宙中的大部分氧。

然而,我们很难确定这种产氧反应的速率。麻省理工学院(MIT)的物理学教授Richard Milner说:“物理学家的职责是相识这个世界,但是现在我们并不十分相识宇宙中的氧究竟来自何方,也不甚清楚氧和碳是如何形成的。”

假如物理学家对所谓的“辐射俘获反应速率”这个物理量能有充足好的估计,那么一些基本问题也就可以得到解答,比如宇宙中碳与氧的比例。此外,准确的速率可以帮助我们确定爆炸的恒星是否会形成黑洞或中子星。

现在,Milner与他的同事提出了一种能确定这种产氧反应速率的实验计划。这一实验方法需要用到一种“多兆瓦”的线性粒子加快器,这类加快器位于世界的好几个地方,现在仍在建设中。一旦启动并运行起来,这些加快器或许能提供恰如其分的条件,使产氧反应反向举行,就像倒转了恒星形成的时钟。

如许的“逆反应”应该能让研究职员对实际发生在恒星中的反应速率有一个很好的估计,其准确度可高于此前的研究成果。Milner说:“假如我们是对的,那么这项测量将可以帮助我们回复核物理中与元素起源有关的一些重要问题。”

急剧下降

辐射俘获反应速率指的是发生在恒星内部的碳-12核与氦核(也被称为α粒子)之间的反应。当这两个原子核发生碰撞时,碳原子核就会“俘获”α粒子,并在这个过程中受到激发,以光子的形式辐射出能量。从而留下一个氧-16核,最终衰变为一种能以稳固性是存在于我们大气中的氧。

但在恒星中,这种反应天然发生的几率非常小,因为α粒子和碳-12原子核都带有正电荷。当它们近距离打仗时,库仑力会使它们天然地相互排斥。若要聚变形成氧,这两种粒子必须要以充足高的能量发生碰撞才能克服库仑力的阻碍,而这是一种稀有的现象。云云低的反应速率是不可能在恒星内部的能量程度上被探测到的。

在已往的50多年里,科学家一直试图在高能的粒子加快器中模仿辐射俘获反应速率。为了到达这一目标,他们将氦和碳的粒子束碰撞在一起,希望氦和碳的原子核能发生聚变,从而产生氧。他们已经做到了对这些反应举行测量,并盘算出相应的反应速率。但是,在加快器中,粒子发生碰撞时的能量远远高于恒星中的能量,因此导致了根据现在对产氧反应速率的估计很难推断出恒星中实际发生了什么。

逆转时间

在这项新的研究中,MIT的物理学家们决定重拾先前的一个概念,来制造产氧反应的逆反应。其本质上就是从氧气开始,然后把它的原子核分裂成它的起始成分:一个α粒子和一个碳-12核。研究职员推断,逆反应发生的概率应该比正反应更大,因此更轻易测量。而且逆反应或允许以在接近恒星的实际能量范围下举行。

若要将氧分裂,需要用到一束具有超高电子浓度的高强度电子束。当电子束在撞击一团氧原子云时,电子含量越多,那么在数十亿个电子中存在一个能与某个氧原子发生碰撞,且其能量和动量恰好能导致氧原子分裂的电子的几率就越大。

这个想法起源于MIT的另一个研究员Genya Tsentalovich在2000年的一个尝试。厥后,Milner等人以为这是一个值得深入研究的想法,因此又重拾这一设想。正在德国和康奈尔大学建设的新一代线性加快器就有能力生产充足高强度的电子束,或者说电流,从而有可能引发逆反应。于是在2016年开始了这项新的研究。

Milner 说:“这些具有数十毫安电流的新型高强度电子装备的出现,重新唤起了我们对这种(逆反应)设想的爱好。”

他们发起,可以在实验中通过向一团低温、超冷的氧原子云发射一束电子束来产生逆反应。假如一个电子能乐成地与一个氧原子碰撞并将这个氧原子分裂,那么它就会以肯定的能量散开,这是物理学家在之前就推测过的。研究职员将要在给定的能量范围内分离出包含电子的碰撞,并从这些碰撞中分离出后续产生的α粒子。

α粒子是在氧-16原子分裂时产生的。氧的其他同位素的分裂也会产生α粒子,但是这些粒子的分散速度会比氧-16原子分裂而产生的α粒子快大约10纳秒。因此,研究职员推断他们将会分离出那些速度稍慢、“飞行时间略短”的α粒子。

然后,研究职员就可以盘算出逆反应的速率,因为α粒子分裂的速度较慢,而氧-16原子分裂的速度也相对较慢。然后,他们建立了一个模型,将恒星中天然产生的氧的正逆反应接洽起来。

Milner说:“我们实际上做的是逆转时间的反应。假如能以我们所说的准确度来测量,那么就应该能直接提取出反应速率,这比在任何人在这一范围内所做出的测量要精准20倍。”

假如正在德国制作的多兆瓦线性加快器MESA的已建成并投入运行,物理学家就可以将他们的实验计划落到实处,通过实验来确定恒星为宇宙生产氧的速率。云云一来,这些测量将使物理学家解答恒星中形成了多少碳和氧这一问题,这也是现在我们对于恒星演化的理解中最大的一个不确定性。

原文链接:

http://news.mit.edu/2019/experiment-oxygen-universe-0820


来源:https://www.toutiao.com/a6727595690114941451/
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