熱核爆炸威力有多大?能結束一顆恆星的生命

2020-12-05 快科技

一項天體物理學研究指出，有些恆星會以一場爆炸的形式結束生命，而氖元素也許在其中發揮了至關重要的作用。

天文學家很喜歡研究恆星的生命周期，包括不同恆星的死亡方式。像太陽這樣質量較小的恆星會不斷膨脹，最終拋卻外層物質、轉變為矮星；大型恆星則會以超新星爆發的形式發生劇烈爆炸，內核會變成黑洞或中子星。

但對於質量介於太陽7到11倍之間的中等質量恆星，仍有許多疑問沒有解決。它們是會拋離外層、還是會爆炸呢？如果它們最終會發生超新星爆發，那麼最終產物又是什麼？要想弄清這些問題，一定程度上將取決於我們對氖的理解程度有多深。

在死亡過程中，中等質量的恆星會逐漸耗盡氫和氦。計算機模擬顯示，它們會形成由氧、氖和鎂幾種元素構成的內核。這些恆星可能會失去部分氫外層，變成黯淡的白矮星；但如果內核變得足夠大的話，也可能會坍縮成為中子星。

但這些恆星內核非常古怪，因為向內擠壓的引力產生的壓力可以與支配電子行為的量子力學規則相抵消。兩個電子的量子性質不可能完全相同，因此限制了它們之間能達到的最小距離，從而對內核施加一種「簡併壓力」（ degeneracy pressure）。而氖原子捕獲電子的速率對該進程發揮著至關重要的作用。這一過程會釋放出能量，「點燃」恆星中的氧，導致爆炸。但能量釋放的時間、以及後續爆炸發生的時間不同，恆星的命運也會有所不同。

由加拿大達爾豪斯大學的奧利弗·科爾斯伯姆（Oliver Kirsebom）近期主導編寫的一篇論文研究了氖捕獲電子的逆向過程，即氟原子失去一個電子、變成氖的過程。為此，他們在芬蘭的JYFL加速器實驗室中，用一束氟原子束轟擊了一張碳膜。通過分析氟衰變成氖的概率，研究人員反向推算出了在由氧、氖和鎂元素構成的內核中、氖原子捕獲一個電子的頻率。而他們的計算結果比此前的觀測結果高得多，因此能夠點燃氧氣時所需的內核密度更低，最終會導致一場熱核爆炸，使恆星變為一顆白矮星、而非中子星。

「這是一種非常罕見的核躍遷，經常被人忽視。」科爾斯伯姆指出，「在特定條件下，它會對恆星的演變產生重大影響。」

北加州大學物理系的卡拉·弗羅裡希評論道，該團隊的測算結果是「精密核天體物理領域的一座裡程碑」。她指出，數十年來，科學家一直想對這種「禁戒躍遷」進行測量。禁戒躍遷現象在地球上非常罕見，但在恆星內核的極端環境中也許要常見得多。

在由斯德哥爾摩大學博士後研究員Shuai Zha帶領、發表在《天體物理學期刊》上的另一項研究中，科學家建立了一顆質量為太陽8.4倍的恆星的死亡過程模型。電子捕獲過程釋放的能量點燃了氧氣，進而燒盡了內核中的其它金屬、並產生了一道爆炸波。該論文發現，恆星的最終命運取決於電子的數量和臨界密度。密度一旦超過該臨界值，恆星內核就會坍縮成中子星；而如果在臨界值以下，內核則會發生熱核爆炸、分崩離析。

據研究人員推測，該恆星內核的密度高於臨界值，因此他們認為，是氖元素促成了內核坍縮為中子星。不過該團隊的研究要早於科爾斯伯姆。他們計劃在即將發表的一篇論文中對兩支團隊的研究結果進行比較。

科爾斯伯姆解釋道，關於這些恆星，仍有許多疑點尚待討論，比如恆星內核中的對流、以及物質傳輸熱量的方式等等。在這些過程中，其它複雜艱深的核變化過程也許也發揮了一定作用。

「關於這些恆星的最終命運，目前的確有很多互相矛盾的觀點。對恆星中的對流等問題……我們也的確需要展開進一步了解。」科爾斯伯姆指出。他希望，更先進的加速器實驗室可以幫助科學家研究更不穩定的罕見粒子和同位素。此外，天文學研究也許會發現含有更多重元素的白矮星，它們可能是由氧、氖、鎂構成的內核爆炸後的殘餘物。

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#核能

原文連結：新浪科技 責任編輯：雪花

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