- 科學家解決了鍶元素形成過程中的重要不確定性。
- 研究利用氪的同位素行為推斷鍶的形成。
- 氪-88 的中子捕獲率顯著低於理論預測。
- 研究結果有助於縮小與古老恆星觀察數據的差距。
美國稀有同位素束流設施 (FRIB) 及阿根廷串聯直線加速器系統 (ATLAS) 的科學家，成功解決了一項核物理反應中的重要不確定性，該反應有助於理解鍶元素如何在恆星中形成。此項成就涉及來自加拿大及歐洲的 12 個參與機構，並採用間接方法，即測量另一種元素氪的同位素行為，以推斷鍶的形成。宇宙中大部分元素均是由恆星活動所產生。自 1950 年代以來，科學家依賴三種既定的過程來解釋鐵以上元素的形成，分別為 r 過程（快速中子捕獲過程）、s 過程（緩慢中子捕獲過程）及 p 過程，後者形成更多質量較重的質子豐富同位素，
這些同位素無法通過中子捕獲過程製造。每個過程均涉及中子的捕獲或移除，並有效解釋了這些元素，直至 1990 年代。隨著科學家開始觀察老恆星中某些元素的豐度，這些過程的解釋開始出現偏差，其中之一便是鍶元素。 解釋鍶的豐度 鍶是一種鹼土金屬，常用於煙火及夜光顏料。它亦可用於考古分析，通過同位素幫助科學家確定標本的年齡及來源地。對於天體物理學家而言，理解鍶的形成有助於解釋核合成，即恆星形成元素的過程。
鍶元素的形成及其重要性
一個被提出用來解釋鍶豐度的方案為 i 過程。該過程發生在 s 過程與 r 過程之間的條件下，其中中子密度及時間尺度約為幾分鐘。r 過程為快速中子捕獲過程，而 s 過程為緩慢中子捕獲過程，i 過程則迅速吸收中子並生成更重的元素。儘管 i 過程模型能解釋多種元素的豐度，但對於鍶而言，因其產量過低而不適用。維多利亞大學物理及天文學教授法克·赫維格（Falk Herwig）表示：「我們的模型已標示氪-88 的中子捕獲為鍶短缺的關鍵未知因素。」
消除不確定性 中子捕獲反應因重現實驗室中的恆星條件而難以直接測量；這些反應發生頻率低，且參與的原子核壽命短。研究人員採用間接方法克服此挑戰，製造了氪-89 這一較高同位素，並使其衰變至較低能量狀態。利用 FRIB 的總和鈉（SuN）檢測器在 ATLAS 進行測量，研究人員能夠測量氪-89 的伽馬射線發射，並間接推斷氪-88 的中子捕獲率。研究結果顯示，氪-88 的中子捕獲率明顯低於理論預測。
消除核不確定性的重要進展
當他們在 i 過程模型中使用這一率時，結果顯示生成的鍶量大大接近天文觀測數據。「現在我們已知這一反應速率，下一步的工作完全在我們模型者之上。」赫維格在新聞稿中補充道。「隨著主要的核不確定性被消除，我們可以轉向天體物理學，研究中子密度及燃燒的時間，並努力縮小與我們在最古老恆星中觀察到的差距。」研究結果已發表在《通訊物理學》期刊上。
項目 規格 主要研究機構 稀有同位素束流設施 (FRIB)、阿根廷串聯直線加速器系統 (ATLAS) 關鍵元素 鍶 研究方法 間接測量氪-89 的伽馬射線發射
鍶元素研究對天體物理學的影響
鍶元素的形成與恆星核合成過程密切相關，理解其形成機制對於天體物理學家來說至關重要。這項研究不僅解決了過去對鍶元素豐度的解釋偏差，還為未來的研究提供了新的方向。通過消除關鍵的不確定性，科學家能夠更準確地模擬恆星內部的核反應，進一步探索中子密度及燃燒時間的影響，從而增進對宇宙中元素形成的整體理解。