宇宙中幾乎所有的氧，都是在像太陽這樣的大質(zhì)量恒星內(nèi)部形成。當(dāng)這些恒星收縮和燃燒時，它們會在核心內(nèi)部引發(fā)熱核反應(yīng)，在那里，碳和氦原子核可以發(fā)生碰撞和聚變，這是一種罕見但卻必不可少的核反應(yīng)，產(chǎn)生宇宙中的大部分氧。

這個產(chǎn)氧反應(yīng)的速率很難確定，但如果研究人員能對所謂的“輻射捕獲反應(yīng)速率”有一個足夠好的估計(jì)，就能開始解答一些基本問題，比如宇宙中碳與氧的比例。精確的速率也可以幫助確定爆炸的恒星，是否會形成黑洞或中子星。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院核科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(LNS)的物理學(xué)家們提出了一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以幫助確定這種產(chǎn)氧反應(yīng)的速率。在世界各地的幾個地方，這種方法需要一種仍在建設(shè)中的粒子加速器。一旦啟動并運(yùn)行起來，這種“多兆瓦”的線性加速器可能會提供恰好合適的條件，讓產(chǎn)生氧反應(yīng)反向進(jìn)行，就像讓恒星形成的時鐘倒轉(zhuǎn)。研究人員表示，這樣的“逆反應(yīng)”應(yīng)該能對恒星中實(shí)際發(fā)生的反應(yīng)速率有一個估計(jì)，其準(zhǔn)確度高于此前的研究成果。

麻省理工學(xué)院(MIT)物理學(xué)教授理查德?米爾納(Richard Milner)表示：物理學(xué)家的職責(zé)是了解這個世界，而目前，我們并不十分了解宇宙中的氧來自何方，以及氧和碳是如何形成的，如果我們是對的，這項(xiàng)測量將幫助我們回答核物理中關(guān)于元素起源的一些重要問題。米爾納是發(fā)表在《物理評論》期刊上該研究的合著者，以及主要作者和麻省理工學(xué)院-LNS博士后Ivica Fri??I?和麻省理工學(xué)院理論物理中心高級研究科學(xué)家T.William Donnelly。

急劇下降

輻射俘獲反應(yīng)速率指的是發(fā)生在恒星內(nèi)部碳-12核與氦核之間的反應(yīng)，也稱為阿爾法粒子。當(dāng)這兩個原子核碰撞時，碳原子核有效地“捕獲”阿爾法粒子，并在這個過程中被激發(fā)，以光子的形式輻射能量。剩下的是一個氧-16核，它最終衰變?yōu)榇嬖谟诘厍虼髿庵幸环N穩(wěn)定形式的氧。但這種反應(yīng)在恒星中自然發(fā)生的幾率非常小，因?yàn)榘柗Ｗ雍吞?12原子核都帶著很高的正電荷。如果確實(shí)近距離接觸，它們自然傾向于排斥，這就是庫侖力。

為了融合形成氧，這對粒子必須以足夠高的能量碰撞，以克服庫侖力——這是一種罕見的現(xiàn)象。如此極低的反應(yīng)速率是不可能在恒星內(nèi)部能量水平上被探測到的。在過去的50年里，科學(xué)家們一直試圖在小型而強(qiáng)大的粒子加速器中模擬輻射捕獲反應(yīng)速率。通過氦和碳的碰撞來達(dá)到這一目的，希望通過融合兩束氦和碳的原子核來產(chǎn)生氧。科學(xué)家們已經(jīng)能夠測量這些反應(yīng)并計(jì)算出相應(yīng)的反應(yīng)速率。然而，這些加速器碰撞粒子的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于恒星中發(fā)生能量，以至于目前對產(chǎn)生氧反應(yīng)速率的估計(jì)，很難推斷出恒星中實(shí)際發(fā)生了什么。

時間反轉(zhuǎn)

在這項(xiàng)新研究中，研究小組決定重拾先前的概念，產(chǎn)生與產(chǎn)氧反應(yīng)相反的產(chǎn)物。本質(zhì)上，目標(biāo)是從氧開始，把原子核分裂成起始成分：一個阿爾法粒子和一個碳-12原子核。研究小組推斷，反向反應(yīng)發(fā)生的概率應(yīng)該比正向反應(yīng)更大，因此更容易測量，在離實(shí)際恒星能量范圍更近的能量下，也可能發(fā)生相反的反應(yīng)。為了分裂氧，需要一束具有超高電子密度的高強(qiáng)度光束，撞擊一團(tuán)氧原子云的電子越多，數(shù)十億個電子中有一個具有正確的能量和動量與一個氧原子碰撞并分裂的幾率就越大。

這個想法來自于麻省理工學(xué)院的研究員Genya Tsentalovich，他于2000年在麻省理工學(xué)院貝茨南霍爾電子存儲環(huán)領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。盡管這個實(shí)驗(yàn)從未在貝茨加速器上進(jìn)行過，但這個想法值得深入研究。隨著德國和康奈爾大學(xué)開始建造下一代直線加速器，有能力產(chǎn)生足夠高強(qiáng)度或電流的電子束，從而潛在地觸發(fā)逆反應(yīng)。這些新型高強(qiáng)度電子設(shè)備的出現(xiàn)，重新喚起了科學(xué)家對這種(逆反應(yīng))想法的興趣。該團(tuán)隊(duì)提出了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，通過向低溫、超冷氧原子云中發(fā)射電子束來產(chǎn)生相反的反應(yīng)。

如果一個電子成功地與一個氧原子碰撞并分裂，它就會以一定的能量裂開，這是物理學(xué)家之前預(yù)測的。研究人員將在給定的能量范圍內(nèi)，分離出包含電子的碰撞，并從這些碰撞中分離出后續(xù)產(chǎn)生的阿爾法粒子。粒子是在氧-16原子分裂時產(chǎn)生的，其他氧同位素的分裂也會產(chǎn)生阿爾法粒子，但這些粒子的分散速度，要比氧-16原子分裂產(chǎn)生的阿爾法粒子快10納秒。因此，研究小組推斷將能分離出那些速度稍慢、“飛行時間略短”的阿爾法粒子。然后科學(xué)家們可以計(jì)算出逆反應(yīng)的速率，給出了粒子發(fā)生較慢的頻率.

建立模型，將恒星中自然產(chǎn)生氧的逆反應(yīng)與直接、正向反應(yīng)聯(lián)系起來。如果以研究所說的精確度來測量，應(yīng)該能夠直接提取出反應(yīng)速率。目前，德國正在建造一臺多兆瓦的線性加速器MESA。fri??i?和milner正在與那里的物理學(xué)家合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，希望一旦啟動并運(yùn)行，可以將實(shí)驗(yàn)付諸行動，真正確定恒星向宇宙中大量釋放氧的速率。它將使我們能夠回答恒星中形成了多少碳和氧，這是對恒星如何演化的理解中最大的不確定性。

博科園｜研究/來自：麻省理工學(xué)院/Jennifer Chu

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