超新星惊喜创造元素之谜–宇宙中最重要的反应可以得到巨大而出乎意料的推动力

仙后座A是仙后座星座中的超新星遗迹。

密歇根州立大学的研究人员发现，宇宙中最重要的反应之一可以在被称为超新星的爆炸恒星内部获得巨大而出乎意料的推动力。

这一发现还挑战了如何制造一些地球重元素的想法。特别是，它颠覆了一种理论，该理论解释了地球上钌和钼元素的某些形式或同位素的异常高含量。

密西根州立大学物理学与天文学系稀有同位素束研究设施的助理教授卢克·罗伯茨说：“这令人惊讶。”罗伯茨实施了该团队用来在超新星内部建模环境的计算机代码。“我们当然花了很多时间来确保结果正确。”

这项研究结果于2020年12月2日在线发表在《自然》杂志上，表明超新星的最内层区域可以比以前想象的快10倍以上的速度锻造碳原子。碳的产生是通过称为三重阿尔法过程的反应发生的。

“在许多方面，三重阿尔法反应是最重要的反应。它定义了我们的存在。” Roberts的合作者之一Hendrik Schatz说。Schatz是物理​​学和天文学系和稀有同位素束设施的大学杰出教授，也是核天文学联合研究所所长-元素演化中心，简称JINA-CEE。

几乎所有构成地球的原子及其上的一切（包括人类在内）都是在星空中伪造的。已故作家和科学家卡尔·萨根（Carl Sagan）的粉丝可能还记得他的名言：“我们都是由恒星构成的。”也许没有一颗恒星物质对地球上的生命比通过三重阿尔法过程在宇宙中产生的碳更重要。

该过程从α粒子（氦原子或核的核心）开始。每个α粒子由两个质子和两个中子组成。

在三重阿尔法过程中，恒星将三个氦原子核（也称为阿尔法粒子）融合在一起（左），以产生具有多余能量的单个碳原子，称为霍伊尔态。霍伊尔态可以分裂成三个α粒子，或者通过释放一对伽马射线（中心）而松弛到稳定碳的基态。然而，在超新星内部，可以借助额外的质子来增强稳定碳的产生（右）。

在三阿尔法过程中，恒星将三个阿尔法粒子融合在一起，形成了一个具有六个质子和六个中子的新粒子。这是宇宙中最常见的碳形式。其他核过程还会产生其他同位素，但这些同位素仅占地球碳原子的1％以上。

罗伯茨说，尽管如此，将三个阿尔法粒子融合在一起通常是一个效率低下的过程，除非有任何帮助。斯巴达团队发现，超新星的最内层区域可以有这样的辅助物：多余的质子。因此，富含质子的超新星可以加速三重阿尔法反应。

罗伯茨说，但是加速三重阿尔法反应也使超新星在元素周期表上制造更重元素的能力受到阻碍。这很重要，因为科学家们长期以来一直认为，富含质子的超新星产生了令人惊讶的大量某些钌和钼同位素，其中含有近100个质子和中子。

罗伯茨说：“您不会在其他地方制造这些同位素。”

但是根据这项新研究，您可能也不会将它们制成富含质子的超新星。

“令我着迷的是，您现在必须想出另一种方式来解释它们的存在。他们不应该在这里拥有如此丰富的资源。”沙茨谈到同位素时说道。“提出替代方案并不容易。”

该项目的发起人萨姆·奥斯汀（Sam Austin）说：“这在某种程度上令人不快。”他是FRIB的前身，国家超导回旋加速器实验室的前任主管，密苏里州立大学（MSU）名誉教授。“我们以为我们知道，但是我们还不够了解。”

研究人员补充说，还有其他想法，但没有一个让核科学家感到完全满意。而且，尚无现有理论包括这一新发现。

“无论接下来发生什么，您都必须考虑加速三重α反应的影响。这是一个有趣的难题，”沙茨说。

尽管研究小组没有立即解决这个难题的方法，但研究人员表示，这将影响FRIB即将进行的实验，而FRIB最近被指定为美国能源部科学技术办公室的用户设施。

此外，MSU为新理论的发芽提供了沃土。该大学是美国一流的研究生计划的所在地，该计划旨在培养下一代核物理学家。它也是JINA的核心机构，正在促进像这样的核物理和天体物理学之间的合作，其中也包括Shilun Jin。Jin曾是MSU的博士后，从事该项目的工作，此后又加入了中国科学院。

因此，尽管奥斯丁对此结果与长期以来对元素创造的观念相抵触感到有些失望，但他也知道这将推动新科学的发展和对宇宙的更好理解。

他说：“存在矛盾时，进步就来了。”

沙茨说：“我们热爱进步。”“即使它破坏了我们最喜欢的理论。”

参考：Shilun Jin，Lukeα F. Roberts，Sam M.Austin和Hendrik Schatz于2020年12月2日在Nature.DOI：“增强的三重反应减少了超新星中富含质子的核合成”。
10.1038 / s41586-020-2948-7

这项工作得到了美国国家科学基金会和美国国家科学基金会（NSF）物理前沿中心JINA-CEE以及美国能源部高级计算计划的支持。此外，金还获得了密西根州立大学（MSU）和中国奖学金委员会提供的博士后奖学金的支持。

国家科学基金会为国家超导回旋加速器实验室提供资金，该实验室是核和加速器科学研究与教育的中心。它是美国首屈一指的科学用户设施，致力于稀有同位素的生产和研究。

MSU建立并运行FRIB，作为美国能源部科学办公室核物理办公室的用户设施。