終於揭示「宇宙氦」的性質!氦是宇宙中最豐富的元素之一

2020-11-25 博科園

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽

歐洲核子研究中心(CERN)和來自世界各地其他研究所一大批研究人員組成的阿爾法磁譜儀(AMS)合作研究，現在提出了一系列對宇宙氦同位素3He和4He性質的精確測量，這些測量數據是由位於國際空間站(ISS)的分光計阿爾法磁譜儀收集。進行這項研究的研究人員之一阿爾貝託·奧利瓦(Alberto Oliva)解釋說：氦是宇宙射線中含量最豐富的元素之一，它由兩種同位素組成，即氦-4和氦-3。氦-4或氦-3，是一種氦同位素，主要在大爆炸後的前三分鐘和恆星核合成中產生。

恆星核合成是由於恆星內部核聚變反應而產生的化學元素，天體物理加速器，如超新星爆炸衝擊波，將這種同位素加速到高能。另一方面，氦-3或氦-4通常是由加速的4He同位素與我們銀河系的物質相互作用產生。確定3He和4He同位素能量依賴性之間的差異，能使研究人員能夠推導出源的一般性質，以及宇宙射線在銀河系中的加速和傳播。氦原子核也可以相對於較重原子核旅行更長的距離，因為氦核更小，與周圍物質的相互作用更少。

有了氦，就可以在更大星系中探索宇宙射線的性質，這與傳統上用較重原子核（如硼和氧）所做的事情有關。測量阿爾法磁譜儀中的氦同位素需要使用矽跟蹤器，該跟蹤器通過測量阿爾法磁譜儀磁場中偏轉來確定入射宇宙射線的動量，並結合在低能量時測量飛行時間系統(TOF)的速度，或在高能時測量Ring Imaging Cherenkov計數器(RICH)。所有這些探測器還可以測量原子序數，並將氦從其他原子核中分離出來。飛行時間系統通過粒子通過相隔約一米的兩個閃爍平面所需時間來測量粒子的速度。

而RICH通過檢測由高能粒子以比該介質中光速更快的速度穿過富散熱器所產生的光環來測量粒子速度，即通過切倫科夫效應。通過獨立測量動量和速度，AMS光譜儀可以準確地分離3He和4He同位素，並測定它們的光譜。在研究中，Oliva和同事展示了AMS光譜儀收集的測量結果，這些測量結果突出了兩種氦同位素的特殊性質。研究人員觀察到，3He和4He通量隨時間表現出幾乎相同的變化，並且這些變化相對幅度隨著剛度的增加而減小。AMS光譜儀收集了3He/4He通量比的剛性依賴關係的第一次測量。

這些測量表明該比率具有長期的時間依賴性，但在4GV以上它變得與時間無關。研究進行的測量將3He和4He知識擴展到了更高能量（比以前的實驗高兩倍），這是第一次能夠觀察到3He和4He的剛性比例遵循一個簡單的冪律，這種觀察可以區分不同的宇宙線傳播模型。還能夠看到，太陽活動能夠以不同的方式影響3He和4He光譜，這是以前從未見過的結果。測量結果為3He和4He同位素性質提供了新的有趣見解，這可能對未來研究宇宙線產生和傳播的天體物理學研究具有重要意義。

值得注意的是，這些測量揭示了3He/4He通量比剛度的依賴關係可以用一個冪律來描述，這與高能下的B/O和B/C光譜指數一致。研究宇宙射線中的同位素(例如質子、氘、鋰-6和鋰-7、鈹-7、鈹-9和鈹-10)，最大限度地利用Tracker、TOF和RICH的組合功率，將能夠揭示更多關於宇宙射線的產生和傳播，以及太陽調製的影響。也許我們會發現一些根本沒有預料到的東西，就像去到以前沒有其他測量方法的地方一樣。

博科園｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys參考期刊《物理評論快報》DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.181102博科園｜科學、科技、科研、科普關注【博科園】看更多大美宇宙科學

相關焦點

  • 宇宙中最初的氫和氦
    當我們走出地球看到了浩瀚的宇宙之後，認知也有了大幅提升。在很多人看來，宇宙是真空的，天體之間的距離也非常大，平均都在數光年以上，天體之間的空闊地帶應該沒有物質的存在。可事實上，宇宙沒有絕對的真空，在我們認為沒有物質的真空中，仍然存在著一些微觀粒子，只是我們肉眼看不到。
  • 科學網—研究發現宇宙最早期恆星僅包含氫氦兩種元素
    天文學家發現，銀河系南方一顆昏暗的恆星事實上只由氫和氦兩種元素組成
  • 為什麼氦如此重要?氦是150年前發現的
    還有，誰沒有從氣球中吸過氦氣，然後像唐老鴨一樣嘎嘎叫呢？儘管如此，這並不是最明智的做法，因為氦會取代我們肺部的空氣（主要為氧氣），或者引起呼吸方面的其他問題。除了氣球和讓我們的聲音吱吱作響之外，氦還有什麼用呢？是否應該關心我們是否耗盡了氣態物質？
  • 宇宙中的元素,從何而來,將有何變化?
    現存最值得注意的事實之一就是每一種我們觸碰過、看見過或者說有過接觸的材料都由相同的兩種東西組成：帶正電的原子核和帶負電的電子。這些原子相互作用：它們相互推拉，相互結合，吸引和排斥對方，創造新分子，穩定分子、離子、電子能態，毫不誇張地說這些相互作用的方式是我們周圍世界完整存在的原因。
  • 「氦閃」可產生鋰元素
    （資料圖片）在人們日常生活中，對鋰元素的應用幾乎隨處可見。它通常被用於現代通信設備與運輸行業。手機、平板電腦、電動汽車等均使用鋰電池供電。此外，鋰元素還被大量應用於航空航天、國防軍工等領域。但可能大多數人都不知道鋰元素從何而來。
  • 宇宙大爆炸後，宇宙中只有氫和氦，其它元素是恆星爆炸產生的！
    天文學家們已經在來自超巨星和巨星的紅外光中，記錄了九種重金屬跡象。基於這個目錄的新觀測，將幫助天文學家了解像雙星中子星合併這樣的事件，是如何影響我們銀河系和其他星系的化學成分和演化。宇宙大爆炸後不久，宇宙中只有氫和氦，其他元素後來通過恆星的核聚變或超新星、雙星合併等劇烈事件形成。但是，對各種過程的細節及其相對貢獻的了解仍然很少。
  • 驚喜:宇宙中第三常見的元素與你所認識的不一樣!
    現存最值得注意的事實之一就是每一種我們觸碰過、看見過或者說有過接觸的材料都由相同的兩種東西組成：帶正電的原子核和帶負電的電子。這些原子相互作用：它們相互推拉，相互結合，吸引和排斥對方，創造新分子，穩定分子、離子、電子能態，毫不誇張地說這些相互作用的方式是我們周圍世界完整存在的原因。
  • 宇宙中含有豐富的鈾,為什麼地球上1億年才能生產2克?
    引言：氦元素是宇宙第二多元素？它在地球中的含量是不是也十分豐富？答案恰恰相反，在地球內，氦元素屬於稀有元素，上億年生產不出10克。雖然碳氫氧元素是我們生活中常會接觸到的元素，但除了氫元素，其餘兩種元素在宇宙中佔比非常小。從總含量或佔比的角度來看，氫元素佔有絕對優勢，它佔元素總量的3/4，而氧、氮、碳、磷、硫等元素的佔比還不到1/50。那麼，另外3/4的元素是什麼？答案可能出乎大家意料，它是氦元素。
  • 宇宙中含量最多的元素是什麼？是它，幾乎存在於所有有機物質中
    在恆星中，氫原子融合產生氦，氦宇宙中第二常見的元素，它有兩個質子，兩個中子和兩個電子。氦氣與氫氣共同組成了宇宙中99.9%的已知物質。儘管如此，宇宙中的氫含量還是比氦高出10倍。第三種最常見的元素是氧，含量為氫1000分之一。一般而言，原子序數越高，元素含量越不豐富。但是，地球的構成與宇宙是不一樣的。舉例來說，氧在地殼中是最多的元素，其次為矽，鋁和鐵。
  • 百科 | 第一個在地球以外發現的元素——氦
    氦，元素周期表的第2號元素。可是為什麼要叫它氦，是一種能讓人害怕的元素嗎？不是，氦氣比氫氣還要溫柔。舉個最簡單的例子，當氫氣遇到明火時，會發生強烈的爆炸。1868年，法國的詹森利用分光鏡觀察太陽表面時，發現一種新的黃色譜線，通過眾多科學家的研究和觀察，才找到的一種屬於太陽上的未知元素，於是把它命名為Helium，元素符號定為He。
  • 驚奇:宇宙中最常見的第三個元素不是你所想的那個
    請注意，不僅是需要大量的原子，而且原子在類型上表現出巨大的多樣性，這意味著原子中存在著質子數量不同的原子核：正是這樣產生了不同的元素。我們的身體本身需要碳、氮、氧、磷、鈣和鐵等元素。我們地球的地殼本身需要矽和許多其他重元素，而地球的核心-為了產生所有的熱量-需要的元素是一直沿著周期表到我們發現的最重的自然存在元素：釷、鐳、鈾，甚至微量鈽。
  • 宇宙中最初的氫和氦來真的是無中生有嗎?愛因斯坦告訴你答案
    當我們走出地球看到了浩瀚的宇宙之後，認知也有了大幅提升。在很多人看來，宇宙是真空的，天體之間的距離也非常大，平均都在數光年以上，天體之間的空闊地帶應該沒有物質的存在。可事實上，宇宙沒有絕對的真空，在我們認為沒有物質的真空中，仍然存在著一些微觀粒子，只是我們肉眼看不到。物質構成了這個世界的一切，構成了整個宇宙。
  • 宇宙94種自然元素中,有三種元素非常罕見,生命離不開它們
    相信朋友們對於元素周期表都不陌生吧，上面一共有118種元素。這上百種元素中並不都是自然元素，其中94種是宇宙自然存在的元素，其它的24種則是人工合成的。科學家根據質量的大小對這些元素進行了一個排列，排在第一的則是氫元素，第二是氦元素，第三則是鋰元素，隨後是鈹，硼，碳，氮，氧等。豐富的元素組成了宇宙這個物質世界，而地球這樣的生命星球，94種自然元素也都是存在。
  • 科技:在壓力下,氦不再是旁觀者
    導語：氦是宇宙中化學惰性最強的元素，但去年，科學家證明它可以與另一種元素成功形成穩定的化合物。現在研究人員表示他們知道原因了——氦的作用就像一個和平衛士，幫助不受約束的原子保持文明。這些新發現還表明氦形成化合物的頻率可能比之前認為的要高，其中可能包括在地球深處。
  • 大量氦存在於天王星和海王星的地幔中
    科技日報記者 吳長鋒記者從中科院合肥研究院獲悉，該院固體所計算物理團隊王賢龍研究員與江蘇師範大學李印威教授合作，採用第一性原理方法、基於粒子群優化算法的全局結構搜索方法和分子動力學方法研究了高壓下氨-氦化合物的物性，預測了系列穩定的氨-氦高壓化合物，指出氦並不像人們普遍認為的只能夠存在於天王星和海王星的大氣中，也可能大量存在於其上地幔中。
  • 大量氦存在於天王星和海王星的地幔中
    科技日報記者 吳長鋒記者從中科院合肥研究院獲悉，該院固體所計算物理團隊王賢龍研究員與江蘇師範大學李印威教授合作，採用第一性原理方法、基於粒子群優化算法的全局結構搜索方法和分子動力學方法研究了高壓下氨-氦化合物的物性，預測了系列穩定的氨-氦高壓化合物
  • 從宇宙的第一個分子到主要構成,其基本性質與是否旋轉有何關聯?
    對宇宙學的研究，不僅是人類最古老的興趣科目之一，也是最新的科學研究內容，我們開始將宇宙當作一個實體來進行分析。生活在地球上的我們，不僅位於太陽系、銀河系，同時也存在於宇宙這個更大的大範圍之內，因此，對宇宙有更多的了解，對於我們追溯過去和預知未來都尤為重要。比如，宇宙中的第一個分子，如何構建了可見宇宙中的所有事物？而宇宙的主要構成和是否旋轉，對宇宙之後的演變和基本性質又有怎樣的決定性作用？
  • 奇妙的化學元素——氦
    氦是稀有氣體元素的前鋒，氦氣是無色無味的氣體，也是稀有氣體，而稀有氣體整體是元素周期表的第18族。稀有氣體的化學性質很穩定，基本不會出現化合物的情況。特別是處在前面的氮氣和氖氣，它們是完全沒有化合物的。
  • 嫦娥五號帶回的月壤中,氦3是什麼?
    氦-3是最理想的核聚變清潔能源，不僅釋放能量很高，而且聚變過程沒有中子放出（3He+3He→4He+2(1H)，ΔE=12.860MeV），一旦人類商用可控核聚變實現，那麼氦-3將是人類最重要的能源之一。
  • 人類正在輕率地浪費一種重要的、不可再生的資源:氦
    它最重要的性質也許是：在標準大氣壓和低溫條件下，它會液化但不會固化，使其成為粒子加速器、核磁共振成像儀和超導體的終極冷卻劑。在足夠低的溫度下，氦會成為一種超流體：一種非常罕見的沒有摩擦和粘性的物質狀態。在運動中的超流體沒有能量損失，將永遠保持運動狀態。