科學家找到了碳元素為何在宇宙中如此豐富的原因

根據澳大利亞和挪威物理學家的最新測量結果，恆星產生碳的速度比之前想像的要快得多。

澳大利亞國立大學的核物理學家、主要研究人員之一蒂博·基貝迪說：「這是一個非常令人驚訝的結果，對整個天體物理學都有深遠的影響。」。

這項測量對我們理解恆星、元素的產生甚至生命的組成產生重大影響。

恆星是元素的建造者：在其內核的核熔爐中，數十億年來它們將氫和氦原子熔合成逐漸變重的元素。我們呼吸的氧氣、電腦等設備中的矽以及我們身體中的鈣、碳和鐵，都是在一顆遙遠、垂死的恆星的心臟中產生的。

對天體物理學家來說，了解創造每種元素所需的特定核過程是一個持續的目標，但碳的產生歷史上讓他們摸不著頭腦。

恆星通過三阿爾法過程產生碳，這需要三個氦原子核（也稱為阿爾法粒子）在一秒鐘內發生碰撞並融合。這是一個不太可能的過程，以至於天體物理學家一直在努力解釋今天宇宙中碳和更重元素為何如此豐富。

天文學家弗雷德·霍伊爾在1953年提出了一個解決方案，科學作家馬庫斯·周恩在他的《魔法爐》一書中稱之為「科學史上最離譜的預測」。

他預言了一種奇特的碳激發態的存在，它幾乎與三阿爾法過程的能量相匹配，被稱為霍伊爾Hoyle態，他認為這將成為生產穩定碳的墊腳石，但即便如此，可能性也很小。

澳大利亞國立大學核物理學家蒂博基貝迪

Kibédi解釋說：「每產生2500個Hoyle態核，只有一個會轉變成穩定的碳。剩下的都四分五裂了。」

直接測量碳產生速率是很困難的，因此Kibédi和他的同事們通過觀察Hoyle態中的兩個躍遷間接地計算了它——一個使用澳大利亞國立大學的重離子加速器設施，另一個使用奧斯陸大學的回旋加速器實驗室。

通過綜合這些結果，研究人員發現，碳的生成速度比之前想像的要快34%——這是一個巨大的飛躍。這項新的測量是40多年來對這一重要天體物理量的首次重大更新。

「這真是出乎意料，」Kibédi說。「自1976年以來，沒有人研究過這種特殊的測量方法。大家都以為這是眾所周知的。」

研究結果發表在兩篇論文上，一篇發表在《物理評論C》上，另一篇發表在《物理評論快報》上。

澳大利亞國立大學的天文學家梅裡迪思·喬伊斯（Meridith Joyce）表示，如果這項新的測量結果成立，這將是恆星天體物理學的一個重大事件。

她解釋說：「像這樣提高碳產量將對我們的許多模型產生重大影響。」。「這將影響我們對恆星如何隨時間變化的理解，它們如何產生比碳重的元素，我們如何測量恆星的年齡和它們將持續多久，我們期望看到超新星爆炸的頻率，甚至它們是留下中子星還是黑洞。」

麥格理大學的天文學家Gayandhi De Silva也認為，通過我們對恆星核合成的了解，這些發現可能會產生重要影響。

「對反應速度更高精度的測量能幫助改進模型預測，從而在與觀測到的恆星化學豐度數據進行比較時提供更好的理解，」德席爾瓦說。

因此，Kibédi和他的同事們預計，他們的研究方法和結論將受到其他科研團隊的研究和確認，他們有信心，各國科學家的進一步研究將證實他們的結論。

「重要的是要做更多的實驗來進行驗證，」Kibédi說。「我們在澳大利亞國立大學的最初計劃是首次在一個實驗中觀察到兩個Hoyle態轉變的衰變。我仍然希望我們能做到這一點。」

進一步研究碳和其他元素的產生不僅可以提高我們對恆星演化的認識，而且可以提高我們對生命本身的認識，因為碳是我們所知道的所有生命的化學基礎。