宇宙中最重的元素源自何方？学术资讯

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最近，一个国际研究小组回溯了46亿年前太阳系的形成，在此过程中，他们对元素周期表上最重元素在宇宙中的起源有了新认识。结果表明，最有可能的元素来源是中子星双星合并时喷出的中子含量适中的物质。

国际核天体物理研究网络（IReNA）和核天体物理及元素演化中心联合研究所（JINA-CEE）的科学家领导开展了这项研究，并将结果发表在最新一期的《科学》杂志上。

我们日常生活中的铁、银等重元素在137亿年前宇宙诞生之初并不存在，而是伴随着核合成（nucleosynthesis）反应的推进生成。这种反应能将原子聚合。其中，碘、金、铂、铀、钚和锔等最重的元素由一种特定类型的核合成反应生成——“快速中子捕获过程”（即“r过程”）。然而，究竟哪些天文事件会产生最重的元素？这个问题几十年来一直是个谜。

当前，科学家们认为r过程出现的情况有三种：两颗中子星发生剧烈碰撞时、一颗中子星和一个黑洞碰撞时或者大质量恒星死亡后的罕见爆炸中——这类高能天文事件在宇宙中非常罕见，当它发生时，中子会被合并到原子核中，然后转化成质子。因为元素周期表中的元素是由原子核中的质子数来定义的，所以r过程会在捕获更多中子后形成更重的原子核。

r过程产生的一部分原子核具有放射性，需要数百万年的衰变才能变得稳定。“碘-129”和“锔-247”就属于r过程产生的原子核。它们成型于太阳形成之前，被固体融合，最终以陨石的形式坠入地球表面。在这些陨石内部，放射性衰变导致了稳定原子核过量形成。据此，我们可以计算出碘-129和锔-247在太阳系形成之前的含量。它们的衰变速率几乎完全相同，这意味着，碘-129和锔-247的比例自数十亿年前它们诞生以来就没有改变过。

具有53个质子的碘比具有96个质子的锔更容易生成，这是因为，若要达到更高的质子数，必须发生更多中子俘获反应。因此，碘-129与锔-247的比例很大程度上取决于它们产生过程中可用的中子数量。

该研究小组计算了中子星和黑洞碰撞合成的碘-129与锔-247的比例，并得出结论：在太阳系诞生前的最后一次r过程中，可用的中子数量不可能太高。否则，生成的锔便会偏多（较碘）。这就意味着，极度富含中子的物质源（比如：天体碰撞时从中子星表面撕裂的物质）可能并没有发挥重要作用。

那么，究竟是什么创造了这些r过程原子核呢? 研究人员目前还不能确定创造它们的天体的性质。

论文作者、美国圣母大学（University of Notre Dame）的Nicole Vassh评论道：“但是，碘-129和锔-247的比例能让我们更直接地看到重元素核合成现象的基本性质。这在未来将是一个令人兴奋的研究领域。”

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编译：朱明逸

审稿：西莫

责编：陈之涵

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210227083308.htm