大多數(shù)驅(qū)動(dòng)我們宇宙中元素合成的核反應(yīng)都發(fā)生在非常極端的恒星等離子體條件下。在恒星內(nèi)部深處發(fā)現(xiàn)的這種強(qiáng)烈的環(huán)境使得科學(xué)家?guī)缀醪豢赡茉谶@些條件下進(jìn)行核測量——直到現(xiàn)在。

科學(xué)家們首次在極端條件下進(jìn)行核反應(yīng)橫截面的熱核測量，如恒星內(nèi)部。圖片版權(quán)：Lawrence Livermore National Laboratory

在一個(gè)獨(dú)特的跨學(xué)科合作領(lǐng)域的等離子體物理、核天體物理學(xué)和激光聚變的研究小組包括科學(xué)家從勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)俄亥俄大學(xué)，麻省理工學(xué)院(MIT)和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LANL)，描述實(shí)驗(yàn)中執(zhí)行類似恒星的內(nèi)部條件。該小組的研究結(jié)果8月7日發(fā)表在《自然物理》雜志上。

這些實(shí)驗(yàn)是對核反應(yīng)截面的第一個(gè)熱核測量，這個(gè)量描述了反應(yīng)物發(fā)生聚變反應(yīng)的概率——在高能量密度的等離子體條件下，它相當(dāng)于巨大恒星燃燒的核心，即比太陽質(zhì)量大10 - 40倍。這些極端等離子體的條件是氫同位素密度被壓縮了一千到接近固態(tài)鉛和溫度加熱到~ 5000萬開爾文。這些也是恒星產(chǎn)生超新星的條件，超新星是宇宙中最大規(guī)模的爆炸。

通常情況下這些核天體物理實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室的加速器實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的，這對核合成的低能量尤其具有挑戰(zhàn)性，該論文的主要作者LLNL物理學(xué)家Dan Casey說：隨著反應(yīng)截面的快速下降，反應(yīng)物能量的減少，束縛電子篩選的修正變得非常重要，而地面和宇宙背景源成為一個(gè)主要的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。

盡管驚人的在質(zhì)量和規(guī)模上的差異——太陽(左)大約是10 ^大38倍和10 ^ 13倍,NIF內(nèi)爆(右)被用于重建在恒星的內(nèi)部深處發(fā)現(xiàn)的條件,這樣他們可以更好的理解。圖片版權(quán)：Lawrence Livermore National Laboratory

這項(xiàng)工作是在LLNL的國家點(diǎn)火設(shè)施(NIF)進(jìn)行的，這是世界上唯一能創(chuàng)造溫度和壓力的實(shí)驗(yàn)工具，就像在恒星和巨大行星的核心中發(fā)現(xiàn)的那樣。使用間接驅(qū)力方法，NIF被用來驅(qū)動(dòng)充氣膠囊內(nèi)爆加熱膠囊到異常溫度，并將它們壓縮到高密度，在那里發(fā)生聚變反應(yīng)。

凱西說：最重要的發(fā)現(xiàn)之一是我們在完全不同的條件下對加速器進(jìn)行了先前的測量。這確實(shí)在核天體物理領(lǐng)域建立了一個(gè)新的工具，用于研究各種可能難以通過其他途徑獲得的過程和反應(yīng)。

也許最重要的是這項(xiàng)工作為潛在的實(shí)驗(yàn)測試奠定了基礎(chǔ)，這些實(shí)驗(yàn)只能在恒星內(nèi)部的極端等離子體環(huán)境中發(fā)現(xiàn)。一個(gè)例子是等離子電子掃描，這是一個(gè)在核合成過程中很重要的過程，但并沒有在實(shí)驗(yàn)中被觀察到。

現(xiàn)在該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了一項(xiàng)技術(shù)來執(zhí)行這些測量，由麻省理工學(xué)院的Maria Gatu Johnson領(lǐng)導(dǎo)的相關(guān)團(tuán)隊(duì)正在尋求探索其他的核反應(yīng)和嘗試測量等離子電子對核反應(yīng)的影響的方法。

來自：Lawrence Livermore National Laboratory

參考期刊：Nature Physics

編譯：光量子

審發(fā)：博科園