作者| 金仕纶(中国科学院近代物理研究所核物理中心研究员)追寻物质的来源可能发生在生活中的每一个层面。爸爸可能会好奇女儿的新项链是谁送的。女孩自然知道这是男朋友从金店为其购买。金店的店员知道项链是由厂家发货，而厂家使用的金条原料来自某某黄金集团。黄金集团的工程师明白如何找寻地下的金矿并开采出金子。接下来，地下的黄金又是怎么来的？我们知道，地球的每时每刻都发生着各式各样的反应。那么在地下，是否有一些“反应”为我们制造黄金呢？答案是——绝不可能。为什么？简单地说，是因为地球不够“燥”。地面温度到了40度，大伙儿就受不了。可合成黄金却需要大约40亿度，这样的超高温度在地球天然环境中的任何一个角落都绝不存在。已有充分的科学证据表明，地球上的所有的元素均来自飘零的星际物质的聚集，其中就包括金元素。因此，人类能享受黄金所赋予的尊贵与财富，应该感谢来自宇宙中某一处特别产房的馈赠。这个产房在哪里？里面又到底发生了什么？这些问题吸引着科学家们去探索回答。而这也是核天体物理学这门学科的使命——追问物质在原子核层次的起源。今天的知识让我们知道，宇宙大爆炸产生了氢、氦及少量的锂。随后，恒星的形成触发了熔合反应，更重的元素开始生成。如一颗有25倍太阳质量的恒星，其内部就像一颗洋葱，最外层氢燃烧成氦，次外层氦可燃烧成碳，接下来还有碳燃烧、氧燃烧、氖燃烧、硅燃烧。然而，当硅燃烧的产物——铁居于恒星中央时，它则无法继续燃烧生成更重的元素。这是因为库伦排斥难以被克服，且由于合成更重元素的核反应都是吸热反应，而恒星内部并不具备这样的热源。因此，比铁（26号元素）更重的元素，包括人见人爱的黄金，就需要新的产房以获得生命。图 恒星核合成的洋葱模型示意图 图源| clipartkey自1957年核天体物理这门学科诞生以来，比铁更重的元素起源一直是其前沿热点。时至今日，通过大量的天文观测、合成演化计算及核物理量的测量，核天体物理学基本建立了理解超铁元素核合成的框架，其本质是由一系列核反应生成更重的原子核。这里可以简单理解为，一个质量数在60左右的铁原子核不断拾取其他核子让自己豹变，成为新的原子核。这里的“拾取”其实就是各式各样的原子核反应。核反应是在非常微观的尺度内发生着，其距离和时间都远远小于纳米与纳秒。有趣的是，这些反应却决定了宇宙中元素的含量，进而决定了我们能看到的最终的生命形态、物质形态。正是这种微观的内在属性决定了宇观的宏大表征。尽管原子核反应类型不少，但最为重要的要属中子俘获过程。这是因为，中子不带电没有库伦排斥，反应相对容易发生。其中，又以快中子俘获过程(rapid neutron capture process, 简称为“r-过程”)为当今研究的前沿热点。然而由于观测及测量困难，r-过程中还有很多谜团尚未完全解答。这里主要集中在两个方向：r-过程发生在哪？是怎么发生的？2017年8月17日，引力波探测器LIGO测到了一个双中子星合并的引力波信号。随后，世界不同机构的观测装置都发现了这一事件所产生的大量电磁信号。通过分析这些信号，科学家们得出了一个重要结论：超铁元素产生了，比如38号元素锶、镧系元素。甚至在74天后，依旧有一批寿命较长的不稳定核素被观测到。因而，这一事件标志着人类第一次敲定了r-过程发生的地点。
图 双中子星合并艺术图 图源| Robin Dienel/Carnegie Institution for Science双中子星合并的发现，在多个层面都堪称是核天体物理学发展的里程碑事件，譬如它开启了多信使测量的时代，敲定了r-过程的发生地，引领并重塑了此后本领域研究趋势。然而，双中子星合并是唯一的r-过程发生地点吗？一系列研究显示，恐怕不是。比如，在统计了大量贫金属星中的稀土元素后，研究发现双中子星合并能产生的稀土元素远小于观测值。这意味着如果双中子星合并是宇宙中唯一的r-过程地点，那么含量如此丰富的稀土元素就找不到合适的来源。这里需要指出，目前稀土元素被认为只能在r-过程中产生，因此其是发生r-过程最直接的证据。因此，探索r-过程的发生地点，只是刚刚开始。还需要寻找新的地点才能更深入地解释元素起源。事实上，早在双中子星合并被观测到之前，有多个理论模型预言了r-过程的发生地。长期以来，核塌缩超新星爆发被认为是r-过程的发生地，然而近年的研究指出，核塌缩超新星爆发即使可以发生r-过程，也是弱r-过程（中子俘获不再主导），质量较重的元素并不能够在此产生。当前，受到更多瞩目的理论场景是磁转动超新星爆发和坍塌星。在本文中，我们将介绍一个新的r-过程地点——共有包层喷射流超新星爆发（Commom Envelop Jet Supernovae，CEJSNe）。最近，一项发表在《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）的研究首次给出了在CEJSNe中发生r-过程核合成的详细机制，并展现了一些相当有趣的特征。一个双星系统在其生命的末期可以发生这样的情形：质量较大的恒星通过超新星爆发成为一颗中子星，而质量较小的恒星成为一颗红超巨星。红超巨星的半径非常之大，乃至于吞噬了中子星。这时候由于引力的作用，红超巨星的核芯将会被中子星吸积，并在中子星表面形成一个盘旋的吸积盘。随着两者距离越来越近，越来越多的物质被快速吸积到中子星，导致剧烈的喷射流自吸积盘的两极喷射出去。而这滚烫浓密的喷射流则满足发生r-过程的条件：数十亿度的高温，每立方厘米数吨的物质密度，丰富的中子。图 共有包层喷射流超新星爆发的艺术图 图源| 近代物理所研究发现，共有包层喷射流超新星爆发是目前最强的超镧元素合成地点，能够产生较多的“第三峰元素”，包含铱、锇、铂、金等。也就是说，如果它在宇宙中多发生几次，就会有更多的黄金产生。图 彩色线条代表共有包层喷射流超新星爆发中r-过程最终产生的元素丰度，红点代表太阳系中的观测值。共有包层喷射流超新星爆发有一个很强的第三峰，其强度要比太阳系丰度大约高出10倍。图| 金仕纶除了第三峰元素，共有包层喷射流超新星爆发对更重的锕系元素也青睐有加。它可以产生相当丰富的钍，同时能很好地解释过去的一个谜题。在2018年，人们通过天文观测发现一颗很特殊的星，它有着极为丰富的钍含量。钍-232有着长达140亿年的半衰期，与宇宙的年龄相当，因此可被用来计算恒星的年龄。但是，当使用其它r-过程模型时，得到的恒星年龄要么为负值，要么远超宇宙年龄，明显不合理。而使用CEJSNe模型后，则能得出合理的数值。结合天文学家对恒星的观测，还能对CEJSNe模型做进一步的检验。曾经人们认为所有的恒星都有着相同的元素丰度，后来科学家发现有一种恒星的铁元素与氢元素比值小于太阳的比值，并将其取名为“贫金属星（metal poor star）”。在这种恒星中，有一类叫做“r-过程增强贫金属星（r-process-enhanced metal poor star）”，因其拥有丰富的中子俘获元素，被认为是宇宙中宝贵的r-过程检验器，对理解重元素的起源有着极为重要的作用。在提取了被标定为r-过程增强星的天文观测量及相关理论模型值后，研究发现CEJSNe模型与其它理论模型呈现出很好的反关联关系。这表明，丰富的稀土元素和超镧元素不能同时出现在同一次r-过程核合成中。如果没有CEJSNe，r-过程增强星的观测值将很难被理论模型解释。图 研究首次提出了一个二维数量，既log(Ir/Eu) VS log(Xla)，log(Ir/Eu) 代表第三峰元素的相对强度，而log(Xla)是稀土元素的含量。图中，CEJSNe、磁转动超新星爆发和坍塌星构成了一个线性关系，表明在同一次r-过程中不能同时产生丰富的稀土元素和第三峰元素。图| 金仕纶未来，有关新的重元素产房的研究可能会不断带给我们惊喜。自然界中稳定的原子核约三百个。随着核物理学的发展，百年来科学家们在实验室内合成了三千多个不稳定的原子核。但受限于加速器的能力，r-过程路径相关的原子核此前无法在实验室被制造出来，因此科学家也无法测量其性质。人们在研究演化过程时，使用的基本都是理论值，这使得深入了解r-过程如何发生成为难题。近年来，随着美国稀有同位素束流装置实验室(FRIB)、日本理化学研究所（RIKEN）的装置投入运行，相关物理量的测量已经逐步开始。在我国广东省惠州市，由中国科学院近代物理研究所主持建设的强流重离子加速器（HIAF）预计于2025~2026 年完成调试并开始运行。未来，在这座位于海边的巨大加速器里，关于重元素产房里的细节有望被逐一揭示。
论文链接：
https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad5f8e
作者| 金仕纶
编辑| 刘芳
审核| 周小红
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