發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上的論文中，一個(gè)國(guó)際科學(xué)家研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，隕石的放射性揭示了我們太陽(yáng)系中最重元素的起源。

    該研究由作為國(guó)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(tuán)隊(duì)回顧到46億年前的太陽(yáng)系形成過(guò)程，獲得了對(duì)周期表中最重元素的宇宙起源的新見(jiàn)解。如圖所示太陽(yáng)系的形成，記錄了放射性核被摻入會(huì)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(gè)核合并為一個(gè)核。一般來(lái)講，兩個(gè)原子核之間的質(zhì)量越不相等，兩個(gè)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(biāo)，然后由較輕核束轟擊。如果兩個(gè)原子核彼此靠近得足夠近，它們就只能融合成一個(gè)原子核。

    通常，核（全部帶正電）由于靜電排斥而互相排斥。強(qiáng)相互作用能夠克服這個(gè)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?？康煤芙€不足以使兩個(gè)原子核融合：當(dāng)兩個(gè)原子核互相靠近時(shí)，它們通常會(huì)保持在一起約10^-20 秒，然后分開(kāi)，而不是形成單個(gè)核。如果確實(shí)發(fā)生了聚變，則被稱為復(fù)合核的臨時(shí)合并為激發(fā)態(tài)。為了失去其激發(fā)能并達(dá)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(gè)或幾個(gè)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(gè)核融合成一個(gè)，發(fā)射出一個(gè)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(shí)會(huì)釋放幾個(gè)奇異中子，或者根本不會(huì)釋放。

    強(qiáng)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(duì)最外面的核子（質(zhì)子和中子）的影響減弱。同時(shí)，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(cè)了最重元素的核，到目前為止，已經(jīng)觀察到主要通過(guò)由這種排斥引起的衰變模式進(jìn)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(cè)器處收集的信息：粒子到達(dá)檢測(cè)器的位置、能量和時(shí)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(shí)是由一種新元素引起的。

最重元素之謎

    數(shù)十年來(lái)，什么樣的天文學(xué)事件可以產(chǎn)生最重的元素一直是個(gè)謎。目前，人們認(rèn)為一種稱為R-過(guò)程的可能發(fā)生在兩個(gè)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(jiàn)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(guò)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(guò)R-過(guò)程的特定類(lèi)型的核合成而生成的。

    R-過(guò)程，英文全稱：rapid neutron-capture process, 縮寫(xiě)為 r-process，或稱為快中子捕獲過(guò)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(dāng)它們發(fā)生時(shí)，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(guò)程會(huì)隨著捕獲更多中子而建立更重的原子核。

    R-過(guò)程產(chǎn)生的某些原子核是放射性的，需要數(shù)百萬(wàn)年才能衰變成穩(wěn)定的原子核。碘-129和鋦-247是在太陽(yáng)形成之前產(chǎn)生的兩個(gè)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(guò)量的穩(wěn)定核。如今，可以在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量這種過(guò)量，以計(jì)算出剛剛形成的太陽(yáng)系中存在的碘-129和鋦-247的量。

    為什么這兩個(gè)R-過(guò)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(shuō)，數(shù)十億年前，碘-129和鋦-247之間的比例就沒(méi)有改變。

    研究人員說(shuō)，“這是一個(gè)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(cè)量的五個(gè)放射性R-過(guò)程核中的兩個(gè)，”   “隨著碘-129與鋦-247的比例被及時(shí)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(yáng)系的組成以及其中的一切。”

    帶有53個(gè)質(zhì)子的碘比帶有96個(gè)質(zhì)子的鋦更容易生成。這是因?yàn)樾枰嗟闹凶硬东@反應(yīng)才能達(dá)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(guò)程中可用的中子數(shù)量。

    研究小組計(jì)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(lái)再現(xiàn)隕石的成分。他們得出的結(jié)論是，在太陽(yáng)系誕生之前的最后一個(gè)R-過(guò)程事件中可用的中子數(shù)量不能太高。否則，相對(duì)于碘會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的鋦。這意味著非常富中子的源（例如在碰撞過(guò)程中從中子星表面剝落的物質(zhì)）可能沒(méi)有發(fā)揮重要作用。

那么，是什么產(chǎn)生了這些R-過(guò)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(jiàn)地的信息，但他們無(wú)法確定創(chuàng)造它們的天文物體的性質(zhì)。這是因?yàn)楹撕铣赡Ｐ褪腔诓淮_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(lái)。

    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(gè)令人興奮的未來(lái)?！苯柚@種新的診斷工具，天文學(xué)模擬的保真度和對(duì)核特性的理解方面的進(jìn)步可以揭示哪些天文物體構(gòu)成了太陽(yáng)系中最重的元素。