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預測恒星的終極命運 核天體物理學的一個里程碑

編輯:黃榮      信息來源: 西e網-新浪網發布時間:2019-12-30

  這聽起來或許有些驚人,每一年,宇宙中都有約一千億顆恒星誕生,同時也有同樣多的恒星走向死亡。是的,就像生命一樣,恒星也會有自己的生命周期。為了了解恒星的生命過程,核物理學家和天體物理學家往往會聯手,共同揭開發生在恒星內部的物理過程,從而預測恒星的終極命運。
 
  恒星的演化和最終命運取決于它誕生時的質量。像太陽這樣的低質量恒星在脫離外層時會先變成紅巨星,接著轉變成由碳和氧構成的白矮星。那些比太陽質量至少高出11倍的大質量恒星也會先轉變為紅巨星,但在這些巨星的核心,核聚變仍然會繼續,直到核心完全變成鐵核。一旦發生這種情況,恒星就會停止產生能量,并開始在引力的作用下坍縮。恒星的核心隨后會被壓縮成中子星,而其外層則在超新星爆炸中被噴射出來。
 
  然而,科學家對于中等質量恒星(質量約為太陽的7到11倍)的演化就不是那么清晰了。研究人員認為,它們會有兩種截然不同的死亡途徑,一種是通過熱核爆炸,另一種是通過引力坍縮。究竟會發生哪一種情況,取決于當氧核開始聚變時的恒星內部條件。研究人員認為,要確定中等質量恒星的死亡結局,關鍵在于了解一種氖同位素的性質及其捕獲電子的能力。
 
  在剛發表的兩篇論文中[1-2],研究人員第一次測量了一種罕見的衰變——氟(F)衰變成氖(Ne),計算結果顯示出更有可能讓中等質量恒星走向死亡的是熱核爆炸,而不是引力坍縮。
 
  氟和氖的故事與所謂的禁戒核躍遷有關。原子核和原子一樣,具有不同的能級,因此可以存在于不同的能態。對于給定的放射性原子核,恒星內部的條件(如溫度和等離子體的密度)決定了它可能的能態。每個能態的量子力學性質決定了原子核可能的衰變路徑。在地球上,如果衰變路徑發生的可能性很高,則稱為容許衰變。相反,如果可能性很低,這種躍遷就被稱為禁戒。但在恒星內部的極端條件下,這些被禁戒的躍遷會更頻繁地發生。因此,當研究人員在實驗室中測量核反應時,來自禁戒躍遷的極小貢獻往往是天體物理學應用中最關鍵的測量。
 
  恒星中的一個重要的禁戒躍遷會通過2?F衰變成2?Ne,或者通過2?Ne捕捉一個電子產生2?F將氟和氖連接起來。在大多數時候,躍遷會涉及到激發2?Ne核(2?Ne2?),但在特定的條件下,躍遷主要會發生在2?Ne的基態(2?Ne??),這種情況很可能存在于中等質量恒星中。恒星的爆炸機制被預測在很大程度上取決于2?Ne的電子捕獲率。所以測量躍遷發生在2?Ne??的頻率是理解恒星命運的關鍵。2?F和2?Ne??之間的躍遷是Oliver Kirseborn和他的同事想要測量的。
 
  在芬蘭JYFL加速器實驗室進行的實驗中,Kirsebom和他的同事們用一束2?F原子核轟擊了一片碳箔,在這個碳箔上植入了放射性原子核。然后他們監測了氟原子核的放射性衰變,這個過程釋放出一個高能電子和一個中微子。他們將衰變產生的高能電子集中在閃爍體探測器上,通過電子撞擊時產生的光來測量它們的能量。
 
  研究人員測量了那些能量超過5.8MeV的電子。這些電子只能通過2?F到2?Ne??的禁戒躍遷產生。當2?F衰變成2?Ne2?時,衰變釋放的1.634MeV能量(即衰變能量)會被隨后由激發Ne所發射的光子帶走。但當2?F衰變成2時,全部的衰變能量(7.024MeV)會轉給電子和反中微子。由于這種差異,由禁戒躍遷發射的電子比由更常見躍遷發射電子攜帶更多的能量。通過仔細計算每一種能量的電子數,研究小組確定了2?F衰變至2?Ne??的幾率為0.00041%(大約25萬分之一)。這聽起來很小,但這一比例足以使它成為任何原子核中測量到的第二強的禁戒躍遷。
 
  為了理解他們的結果對中等質量恒星死亡的影響,Kirsebom和他的同事們用他們測得的衰變率來計算2?Ne在恒星環境下的電子捕獲率,得出的電子捕獲率比之前的計算結果高出8個數量級。接著,他們把這個較大的捕獲率輸入到中等質量恒星的模擬中,觀察到恒星核心的早期加熱和低密度下的氧聚變?;谶@些觀測結果,研究人員發現與以前利用更小的電子捕獲率所作的預測相比,核聚變的能量要更小。在他們的所有模擬中,研究小組都觀察到了恒星的消亡是源自于熱核爆炸。這次爆炸只是部分地破壞了恒星,留下了一顆主要由氧、氖和鎂組成的白矮星。
 
  Kirseborm和他的同事獲得的結果是精確核天體物理學的一個里程碑。在第一次嘗試之后的幾十年里,研究人員進行了專門的實驗設置來測量這個被禁止的β衰變躍遷——這是中等恒星核演化中最后的核物理不確定性。
 
  但是,這些恒星的演化仍然存在一些懸而未決的問題。研究人員現在需要關注熱力學,了解這些恒星核心是否會因為對流而變得不穩定,因為對流會混合物質,并將能量從核心向外輸送。這種混合可以抵消電子捕獲率提高的影響,這意味著中等質量恒星也可能會因為引力坍縮而消亡。
 
  只有當了解了恒星內部發生的所有過程的細節,才能解開這些天體是如何演化和死亡的秘密,從而幫助我們更好地了解星系化學的演化,以及宇宙中致密天體的數量。
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