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暗示着新理论?铈的丰度不符合预期

科学探索万象经验2024-04-26

恒星中的核合成是宇宙中化学元素产生的关键,涵盖了从主序星阶段的氢核聚变到超新星爆炸中重元素的合成。天文学家能够解读星光中的宇宙密码,因为光谱展示了特征性的吸收线和发射线,每一条线都是隐藏在恒星大气中某特定元素的独特指纹。通过对这些光谱特征及其强度的仔细分析,天文学家能够推测出遥远恒星大气中的元素组成。

然而多年来,天文学家在某些恒星观测中发现,实际测量到的重元素含量与理论预测之间存在日益增大的差异。这些恒星中的重元素似乎远超预期,这一现象对我们对恒星演化以及其内部复杂的核合成过程的理解提出了挑战。最近,天文学家遇到了一个新的宇宙谜题:在某些恒星中检测到的铈元素的含量,远远超出了现有模型的预测。

通常认为,宇宙中的一些较重元素是在恒星核心内通过中子俘获过程形成的。在被称为慢中子俘获(S过程)的过程中,这种吸收随时间缓慢进行,原子核逐步演变成稳定或不稳定的构型。它可能产生一个多出一个中子的稳定原子核,也可能形成一个不稳定的原子核,该不稳定原子核随后通过放射性衰变转化为下一个元素。

根据这一过程,天文学家成功预测了许多重元素的丰度,例如含有56个质子的钡。但当涉及到含有58个质子的铈时,他们的模型就出现了问题。这种难以捉摸的元素超出了预期,出现在一些低质量、低金属丰度的球状星团恒星中,其含量比预测高出 30%。这种差异令研究人员感到困惑,因为他们的模型缺乏任何可辨别的原因来解释这一异常。最近在CERN进行的实验更是进一步加剧了这种差异,使理论预测与观察到的现实之间的差距进一步扩大了20%。

宇宙中的大部分铈主要以铈-140的形式存在,这是一种含有58个质子和82个中子的同位素。在核物理学中,82是一个“幻数”,代表能够形成稳定原子核的特定数量的质子或中子。然而,这种稳定性背后的机制仍不完全清楚,可能涉及核结构、核间的结合力,以及量子力学效应。

核壳模型是描述原子核结构的一个框架,尤其是质子和中子在原子核内的排列。在此模型中,核子占据原子核内的离散能级或壳层,类似于电子在原子中的电子壳层。在该模型中,幻数来自核子完全填充核壳层,就像电子完全填充壳层时特别稳定。

对于质子和中子来说,最广泛认可的幻数是2、8、20、28、50、82和126。当原子核中的质子或中子数量与这些幻数之一相匹配时,原子核通常会显示出特别稳定的构型。同时具有质子和中子幻数的原子核被称为“双幻数核”,它们显示出额外的稳定性。

幻数相关的稳定性源于核壳层的闭合,当壳层完全充满核子时,它会导致核处于较低的能量状态,使其更加稳定。此外,额外的稳定性可归因于多种因素,例如核子与核子之间相互作用的减少以及核子之间的配对效应的增强。

尽管如此,核壳模型也有其局限性。首先是幻数问题,核壳模型预测虽然预测幻数的存在,但它不是绝对的,也不能解释所有核特性。有些同位素尽管没具有幻数的质子或中子,但仍表现出稳定性,反之亦然。

第二个是核力问题,核壳模型没有提供底层核力的详细描述。虽然它解释了核子之间的相互作用对核结构的影响,但它不能完全解释这些相互作用的起源和性质。了解核力的精确性质对于全面了解核结构至关重要。

第三是复杂核的问题,核壳模型成功地描述了具有闭壳构型的核,但是许多核更加复杂,具有开壳构型,涉及跨能级的核子激发,在核壳模型框架内描述这些复杂核的结构有挑战性。

第四个问题是核性质的可变性问题,虽然核壳模型预测核性质的某些趋势,例如结合能和核自旋,但这些性质在核与核之间可能存在显着的变化。核变形、集体运动和量子隧道效应等因素可能导致偏离核壳模型的预测

第五个问题是计算复杂度,使用壳模型计算核性质的可能需要大量计算,特别是对于具有许多核子的较重原子核。为了使计算可行,通常需要近似和简化,但这可能会限制预测的准确性,特别是对于远离稳定的原子核。

在CERN最近的实验中,科学家们用高能中子束轰击氧化铈样品,观察到铈-140随后转变为不稳定的铈-141。随后,铈-141的衰变发射出伽马射线,然后对伽马射线进行检测和分析,以确定铈-140的中子俘获截面。

由于实验精度的提高,结果揭示了中子俘获截面比之前记录的高约40%。中子俘获截面高意味着铈-140更容易捕获中子变成别的同位素,这一发现导致对铈丰度的新预测低于现有理论模型的预测。然而,某些恒星中铈丰度的观测结果,显示出比现有理论模型预测的更高的丰度。

新实验的预测和观测之间差异进一步扩大,这暗示了恒星内铈生产中发挥作用的其他机制。虽然CERN 的新见解揭示了铈-140 的核特性,但它也强调了更新核合成模型并进一步研究恒星环境中驱动铈合成过程的必要性。此外,这项研究还揭示了我们对恒星形成重元素的理解上的差距,以及我们对核动力学的理解上的差距。