实验数据有助于解开恒星中重元素产生的谜团

恒星是如何诞生又如何消亡的?它们如何产生能量，让它们燃烧数十亿年?它们如何产生我们今天观察到的元素?在探索塑造宇宙化学成分的过程的过程中，科学家们仍然无法找到这些问题的明确答案。

虽然反应过程的具体细节尚不清楚，但了解元素在何处形成、如何形成以及恒星的形成过程，对于全面了解宇宙的历史、结构和演化至关重要。

最近，包括美国能源部阿贡国家实验室研究人员在内的国际团队获得了新的实验数据，阐明了宇宙中一些最重元素是如何在恒星中形成的。这一发现开始解答有关我们起源的基本问题。

具体来说，该团队首次获得了测量中子与同位素钡-139的原子核碰撞和合并形成钡-140的过程速率的实验约束。同位素是元素家族的成员，它们都具有相同数量的质子，但中子数量不同。钡-139转化为钡-140的反应速率一直是用于确定恒星中重元素同位素存在的预测模型中的主要不确定性来源。

该团队由密歇根州立大学物理与天文系及稀有同位素束(FRIB)设施教授ArtemisSpyrou和德国科隆大学核物理研究所教授DennisMücher领导，利用位于阿贡串联直线加速器加速器系统(ATLAS)的先进放射性离子源CARIBU进行研究，ATLAS是美国能源部核物理办公室位于阿贡的用户设施。

“现在很明显，恒星中元素的合成比以前想象的要复杂得多，”斯皮鲁说。“只有通过这种测量，我们才能解开不同天体物理过程的贡献。”

科学家们早就知道，恒星中的重元素，如钡、镧和铯，都是通过快速和缓慢的核合成过程产生的。核合成是指宇宙中各种过程形成新的原子核(由质子和中子组成的原子的中心)或元素。

快速或“r”过程发生在几秒钟内，据认为是超新星等爆炸恒星以及它们坍缩后出现的小而致密的恒星的核合成的原因。相反，缓慢或“s”过程被认为主要是明亮燃烧的接近生命末期的老恒星的核合成的原因。

相对较新的天文观测指出，核合成途径不同于快速和缓慢过程。由于一些被认为缺乏金属的恒星表现出某些元素不寻常的丰度模式，科学家提出了一个中间或“i”过程来解释这种现象。

“对我来说最令人着迷的是，我们在地球上发现了这些不同的元素，而且常常在不知不觉中几乎每天都在与它们相互作用，”Mücher说。“然而，我们仍然不完全了解它们来自哪里。现在，我们更好地理解了i过程在某种程度上是相关的。”

借助ATLAS的CARIBU源，科学家们能够研究钡同位素如何捕获中子并最终形成镧(钡-139衰变的副产品)以及i过程的关键指标。然而，确定这一中子捕获率尤其具有挑战性，因为钡-139的半衰期只有83分钟。

借助某些实验技术，研究人员发现，可以用同位素铯-140的光束间接确定这一速率。这种同位素会放射性衰变为钡-140，并在此过程中发出伽马射线，研究人员能够使用FRIB的SummingNal(SuN)探测器(一种全吸收伽马射线光谱仪)探测和测量伽马射线。通过更准确地捕获此过程的数据，研究人员可以间接计算钡-139转化为钡-140的反应速率，以及该反应产生镧的概率。

“所采用的技术需要强度相当高、纯度极高的放射性束，”ATLAS主任、阿贡杰出研究员GuySavard说道。“CARIBU为一系列富含中子的同位素提供了这些条件。”

有了这些新发现，研究人员可以将他们在这项研究中发现的内容应用到CARIBU及其近期升级项目nuCARIBU的其他用例中。在那里，他们可以进一步了解中子俘获如何对i过程中的中子富同位素起作用。最终，他们希望找到一种更直接的方法来研究该过程。

“今年秋天，我们将在nuCARIBU的支持下开展大规模实验活动，再次进行大量测量，以便扩大该技术的应用范围，研究多种案例，并尝试了解中子捕获对中子富同位素的系统作用，”萨瓦德说。“这只是第一步，”他补充道。