超新星內部暗藏元素之謎團
2020-12-05 科學大觀園雜誌
仙后座A是仙后座中的一顆超新星殘骸。
當地時間12月2日，美國密西根州立大學（MSU）的研究人員在《自然》雜誌發表論文稱，他們發現宇宙中最重要的反應之一可以在超新星內部加速進行。這個發現不僅挑戰了地球上部分重元素的形成假說，而且還顛覆了解釋行星上高含量釕、鉬同位素現象的理論。
MSU物理與天文學系稀有同位素束研究中心（FRIB）的助理教授Luke Roberts在模擬運算中運用了特定的計算機代碼，其團隊曾用該代碼模擬超新星的內部環境。「我們花費了大量時間確保結果的正確性，」Roberts說。
結果顯示，超新星內部最深處碳原子的形成速度比原本預估的速度高10倍以上。生成這種碳原子的反應叫作「三重阿爾法反應」（triple-alpha process）。
三重阿爾法反應示意圖。
地球及地球上一切事物（包括人類）的組成原子都形成於恆星之中。而對於地球生命來說，也許沒有什麼恆星物質比宇宙中三重阿爾法反應生成的碳更重要了。這一反應始於阿爾法粒子，它是氦原子的核心，即原子核。每個阿爾法粒子由兩個質子和兩個中子組成。在三重阿爾法反應中，恆星將三個阿爾法粒子融合在一起，從而形成一個包含6個質子和6個中子的新粒子——這是宇宙中最常見的碳形式。雖然其他核反應過程也產生了碳同位素，但這些同位素只佔地球上碳原子的1%多一點。然而，將三個阿爾法粒子融合的反應通常效率低下，除非有「催化劑」介入。
該研究團隊揭示，超新星最深處區域恰好具有這種「催化劑」——豐富的質子。在三重阿爾法反應中，三個阿爾法粒子融合併形成一個能量過剩的碳原子，必須經過「霍伊爾狀態」（Hoyle state）。霍伊爾狀態下，融合的原子可能重新分裂成阿爾法粒子，或者通過釋放伽馬射線還原到穩定碳的基態。在超新星內部，額外的質子可以促進穩定碳的生成。因此，在富含質子的超新星中，三重阿爾法反應會加速進行。
不過，三重阿爾法反應的加速效應也抑制了超新星生成（元素周期表上）重元素的能力。這一點很重要，因為長期以來，科學家們一直認為，富含質子的超新星塑造了地球上豐富的釕、鉬同位素（這些同位素包含近100個質子和中子）。
根據這項最新研究結果，它們並不是在富含質子的超新星中形成的。因此，科學家必須找到其他理由解釋這些同位素的存在及豐度。
原創編譯：朱明逸 審稿：西莫 責編：陳之涵
期刊來源：《自然》
期刊編號： 0028-0836
原文連結：https://phys.org/news/2020-12-supernova-elemental-mystery.html
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