我们都听说过，太阳是在大约46亿年前从原始分子云中形成的。但科学家还不完全清楚的是，太阳的形成究竟用了多长时间。
在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个来自12个国家的37个机构的科学家组成的国际研究团队向这个问题发起了挑战。他们开创了一项巧妙的实验，朝着问题的答案向前迈进了一步。
一个双向衰变系统
寿命在数百万年左右的放射性核素，可被用于揭示太阳的形成史，以及在太阳诞生之时发生的活跃的核合成。自46亿年前太阳诞生以来，这些放射性核素就一直在衰变，它们在最古老的陨石上留下了衰变的印记。
在恒星环境中产生的18种可被测量的短寿命放射性核素中，有4种是由所谓的渐近巨星支（AGB）恒星的s过程（中子慢捕获过程）产生的，它们分别是¹⁰⁷Pt（铂）、¹³⁵Cs（铯）、¹⁸²Hf（铪）、²⁰⁵Pb（铅）——其中，²⁰⁵Pb是一个强有力的例子，因为它完全由s过程产生，不会受到其他核合成过程的“污染”。
然而，到目前为止，科学家都无法对²⁰⁵Pb进行准确的丰度预测。原因在于，在恒星温度下，²⁰⁵Pb与它的衰变产物²⁰⁵Tl（铊），有着非常不确定的衰变率。
具体来说，在地球上，²⁰⁵Pb（含有82个电子）会通过将一个质子和一个电子转化为一个中子和一个电子中微子，衰变成²⁰⁵Tl（含有81个电子）。²⁰⁵Pb与²⁰⁵Tl之间的能量差非常小，这就会造成问题：当所有电子都被移除时，²⁰⁵Pb和²⁰⁵Tl在衰变中的角色将会颠倒——²⁰⁵Tl会经历所谓的β-衰变，变为²⁰⁵Pb。
这正是在AGB恒星中发生的情况。在这些恒星环境中，几亿开尔文的温度足以使原子完全电离。因此，在AGB恒星中，²⁰⁵Pb的丰度主要取决于²⁰⁵Tl衰变成²⁰⁵Pb的速率。
然而，这种衰变无法在正常的实验室条件下测量，因为在这些环境下，²⁰⁵Tl是稳定的。要想让²⁰⁵Tl衰变，就必须让产生的电子被捕获到²⁰⁵Pb的一个束缚原子轨道上——这是一种非常罕见的衰变模式，被称为束缚态β-衰变。不仅如此，这种衰变还会导致²⁰⁵Pb的一种激发态，这种激发态在能量上仅比基态略微高一点点，很容易就衰变回基态。
因此，可以说，²⁰⁵Tl与²⁰⁵Pb这二者之间的衰变，就像是一个“跷跷板”——两个衰变方向都是可能的，哪一方会取胜取决于恒星环境的温度和（电子）密度，以及核跃迁强度——这是这场恒星竞争中最大的未知数。
极具挑战的实验
目前，科学家已经知道，要想对²⁰⁵Tl-²⁰⁵Pb这个衰变系统进行测量，唯一的方法就是测量²⁰⁵Tl⁸¹⁺的束缚态β-衰变。而这么做的前提，是要剥离掉衰变的原子核的所有电子，并让其在这种特殊条件下保持几个小时。
虽然²⁰⁵Tl⁸¹⁺的测量最早于20世纪80年代就已经提出，然而这是个极具挑战性的实验。直到经过数十年的努力，科学家们才终于取得了进展。
在新的研究中，研究人员通过将GSI/FAIR重离子实验存储环（ESR）与碎片分离器（FRS）相结合，获得了完全剥离的²⁰⁵Tl⁸¹⁺离子。研究人员表示，在世界范围内，这是唯一能用于分离、积累、冷却、储存和监测²⁰⁵Tl⁸¹⁺的设施。
在获悉了跃迁强度后，研究人员准确地计算出了在AGB恒星中的条件下，²⁰⁵Tl-²⁰⁵Pb这个“跷跷板”的衰变率。接着，通过将新获得的²⁰⁵Tl-²⁰⁵Pb衰变率输入最先进的AGB模型中，研究人员推算出了AGB恒星的²⁰⁵Pb的量。
新的衰变率使研究人员能够自信地预测AGB恒星产生了多少²⁰⁵Pb，并进入到了形成太阳的气体云中。他们将通过这种方法计算得出的²⁰⁵Pb的量，与目前从陨石中推断的²⁰⁵Pb的量进行了比较。
结果表明，太阳从原始分子云形成的时间间隔为1000万年到2000万年。
将宇宙搬到实验室
新的实验结果帮助科学家更好地探索了于46亿年前诞生的太阳，需要多长时间才得以形成。研究人员认为，这一成果凸显了开创性的实验设施的重要性，并且强调了这离不开众多研究团队的合作以及大量的辛勤付出。
他们表示，测量的束缚态β-衰变半衰期对于分析²⁰⁵Pb在星际介质中的积累是必不可少的。但除此之外，其他一些核反应也很重要，比如²⁰⁵Pb的中子捕获率。这些结果明确地表明了先进的实验设施所能带来的独特可能性——甚至可以将宇宙带入实验室。
#创作团队：
编译：不二北斗
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.gsi.de/en/start/news/details/2024/11/13/betazerfall-thallium\
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08130-4
#图片来源：
封面图&首图：Danielle Adams for TRIUMF
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