美国科学家解答钡在恒星中形成的核物理反应不确定性

美国稀有同位素束流设施 (FRIB) 及阿根廷串列直线加速器系统 (ATLAS) 的科学家，成功解决了一项核物理反应中的重要不确定性，该反应有助于理解锶元素如何在恒星中形成。此项成就涉及来自加拿大及欧洲的 12 个参与机构，并采用间接方法，即测量另一种元素氪的同位素行为，以推断锶的形成。宇宙中大部分元素均是由恒星活动所产生。自 1950 年代以来，科学家依赖三种既定的过程来解释铁以上元素的形成，分别为 r 过程（快速中子捕获过程）、s 过程（缓慢中子捕获过程）及 p 过程，后者形成更多质量较重的质子丰富同位素，

这些同位素无法通过中子捕获过程制造。每个过程均涉及中子的捕获或移除，并有效解释了这些元素，直至 1990 年代。随着科学家开始观察老恒星中某些元素的丰度，这些过程的解释开始出现偏差，其中之一便是锶元素。 解释锶的丰度 锶是一种碱土金属，常用于烟火及夜光颜料。它亦可用于考古分析，通过同位素帮助科学家确定标本的年龄及来源地。对于天体物理学家而言，理解锶的形成有助于解释核合成，即恒星形成元素的过程。

锶元素的形成及其重要性

一个被提出来解释锶丰度的方案为 i 过程。该过程发生在 s 过程与 r 过程之间的条件下，其中中子密度及时间尺度约为几分钟。r 过程为快速中子捕获过程，而 s 过程为缓慢中子捕获过程，i 过程则迅速吸收中子并生成更重的元素。尽管 i 过程模型能解释多种元素的丰度，但对于锶而言，因其产量过低而不适用。维多利亚大学物理及天文学教授法克·赫维希（Falk Herwig）表示：“我们的模型已标示氪-88 的中子捕获为锶短缺的关键未知因素。”

消除不确定性 中子捕获反应因重现实验室中的恒星条件而难以直接测量；这些反应发生频率低，且参与的原子核寿命短。研究人员采用间接方法克服此挑战，制造了氪-89 这一较高同位素，并使其衰变至较低能量状态。利用 FRIB 的全能谱钠碘（SuN）检测器在 ATLAS 进行测量，研究人员能够测量氪-89 的伽马射线发射，并间接推断氪-88 的中子捕获率。研究结果显示，氪-88 的中子捕获率明显低于理论预测。

消除核不确定性的重要进展

当他们在 i 过程模型中使用这一速率时，结果显示生成的锶量大大接近天文观测数据。“现在我们已知这一反应速率，下一步的工作完全在我们模型人员身上。”赫维希在新闻稿中补充道。“随着主要的核不确定性被消除，我们可以转向天体物理学，研究中子密度及燃烧的时间，并努力缩小与我们在最古老恒星中观察到的差距。”研究结果已发表在《通讯物理学》期刊上。

项目	规格
主要研究机构	稀有同位素束流设施 (FRIB)、阿根廷串列直线加速器系统 (ATLAS)
关键元素	锶
研究方法	间接测量氪-89 的伽马射线发射

锶元素研究对天体物理学的影响

锶元素的形成与恒星核合成过程密切相关，理解其形成机制对于天体物理学家来说至关重要。这项研究不仅解决了过去对锶元素丰度的解释偏差，还为未来的研究提供了新的方向。通过消除关键的不确定性，科学家能够更准确地模拟恒星内部的核反应，进一步探索中子密度及燃烧时间的影响，从而增进对宇宙中元素形成的整体理解。