破解最古老恆星的元素起源之謎

古老恆星中,不同尋常的鈣丰度
古老恆星中,不同尋常的鈣丰度

古老恆星中,不同尋常的鈣丰度

能夠直接觀測宇宙中的第一代恆星,一直是天文學領域最大的任務之一。宇宙中的第一批恆星也被稱為第三星族星原初恆星,它們是由大爆炸留下的原始物質形成的,很可能產生於大爆炸後的約1億到2.5億年。

第三星族星幾乎完全由輕元素組成。不過,一些更重的元素,已經在一顆古老恆星的大氣中被檢測到了。這顆恆星的編號為SMSS0313-6708,是迄今為止發現的最古老的恆星之一,距離地球只有6000光年之遠。

然而,天文學家發現,SMSS0313-6708所含的鈣元素丰度,似乎超出了我們對這類早期恆星的預期。已提出古老恆星中的鈣的產生機制,無法解釋觀測到的丰度。這讓天文學家們感到困惑,並開始尋找鈣等更重元素的其他形成途徑。

在一項新的研究中,一組中國科學家在一個深埋於地底2400多米的實驗室中,進行了一項核聚變實驗。通過這項實驗,他們重現了發生在古老恆星中的一個重要的、能促進鈣等重元素產生的特殊核反應,為SMSS0313-6708中不同尋常的鈣丰度提供了一種解釋

現在,研究結果已被髮表在了《自然》雜誌上。

窺探最早的恆星和星系

我們知道,恆星就是宇宙中的核聚變反應堆,負責產生宇宙中大多數比氦重的元素。最初,恆星會通過燃燒其核心的氫氣,將其轉化為氦來產生能量。隨著恆星的演化,氦核可以聚變產生碳和氧,然後再經過更多的聚變反應產生更重的元素。

不過,這樣的過程與恆星的初始大小有關。質量約為太陽的8~10倍的恆星,會以爆炸成為「超新星」而終結這種反應週期。在爆炸過程中,新產生的化學元素會被高速噴射到星際空間裡,在周圍區域播撒下可以形成下一代恆星的氣體「種子」。

根據天文學家的推測,SMSS0313-6708是一顆極貧金屬星,是宇宙大爆炸後形成的第一代恆星的「直接後代」。通過模擬發生在如SMSS0313-6708這樣的恆星核心中的核聚變反應,了解它們的反應速率,就有望揭示第一代恆星的一些主要性質,從而幫助我們了解最早的恆星和星系。

然而,在天體物理學家們試圖重現發生在恆星中的核聚變反應時,面臨的最大挑戰之一就是抵達地球的宇宙輻射的影響。這些輻射會在精密的核物理實驗儀器中產生不必要的背景噪聲,從而掩蓋了物理學家真正想要尋找的信號。

比預想中強烈的「爆發」反應

減少背景噪聲的一種方法就是在地底深處進行實驗。世界上只有少數幾個實驗室可以進行這樣的實驗,位於中國四川省的錦屏地下實驗室(CJUL)就是其中之一。它是一個被厚達2400米的岩層覆蓋的地下隧道,是目前世界上最深的核天體物理實驗室,可以在很大程度上隔絕來自太空和地面的放射性粒子的干擾,使得背景噪聲非常微弱。

從更早的一些研究中,科學家就已經知道氟-19(氟的一種同位素)在古老恆星的內部扮演著重要角色。因此,在這項新的研究中,科學家們將焦點放在這樣一個與氟-19有關的核反應上:一個氟-19與一個質子聚變產生一個氖-20同位素和一個γ射線

氟-19核與質子融合的兩種方式。(圖片來源:Nature)

其實,當氟-19被質子撞擊時,除了可以發生上述的會產生氖同位素的反應之外,還可以發生另一種類型的反應,那是一種會產生氧同位素的反應:在這種反應中,一個氟-19核和一個質子的聚變會產生一個α粒子(也稱為氦-4核,由兩個質子和兩個中子組成)和一個氧-16

這兩種反應對恆星內部的化學物質的產生有著截然不同的影響:產生氧同位素的反應不會產生更重的元素,而是會循環返回到生產較輕的元素;而生成了氖-20的反應,則會引發一種「爆發」機制,使恆星能夠鍛造出更重的元素。

過去的大多數研究表明,在恆星中,這種「爆發」反應比產氧反應要弱得多,其反應速率估計只有產氧反應速率的1/4000左右。但是在CJUL的獨特條件下,研究人員發現這種「爆發」反應的反應速率其實比預期的要強烈得多

他們通過向固體氟-19發射高強度的質子束,證明了在相應的恆星溫度下,通過氟-19和質子的聚變產生氖-20的,比之前的估計的要高7.4倍。這樣的爆發反應速率可以合理地解釋SMSS0313-67086中豐富的鈣含量。在這種機制下,在恆星演化的早期,輕元素(如碳和氧)在產生後,有一系列的質子捕獲反應可以產生豐富的重元素。

核天體物理+精密天文觀測

新測得的反應速率,為旨在了解銀河系在形成後,立即爆炸為超新星的那些恆星的性質的恆星模擬研究,提供了關鍵的資訊。它意味著,在恆星的氫燃燒過程中,發生了比之前認為的更強烈的爆發反應。

這種在地下進行的核天體物理實驗室,為研究人員模擬宇宙中的恆星提供了寶貴的資訊,這是以前在地面實驗室上無法實現的。現在,這些實驗已經達到很高的精度,通過與韋布空間望遠鏡等精密天文臺的相輔相成,相信人類對恆星演化的探索,即將進入一個令人興奮的新時代。

#創作團隊:

撰文:不二北斗

排版:雯雯

#參考來源:

https://www.vice.com/en/article/v7vx93/scientists-conducting-nuclear-fusion-tests-deep-under-a-mountain-discover-secrets-of-first-stars

https://www.nature.com/articles/d41586-022-03367-3

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05230-x

#圖片來源:

封面圖&首圖:eli007 / Pixabay