宇宙中存在裂变吗？银河系古老恒星暗藏玄机

作者：沈雯 《原理》编辑

理论上，当两颗中子星相撞时， 会产生比地球上最重的元素还要重的超重元素。 不过，这些超重元素非常不稳定， 他们会迅速通过裂变分解， 产生较轻的元素。 但一直以来，没有人能够证明宇宙中确实会发生这样的裂变。 直到2023年12月7日， 在一项发表于《科学》杂志的研究中， 研究人员表示他们首次找到了 比铀更重的元素发生裂变的证据。 要理解这是怎么回事，就让我们从元素的起源开始说起。

元素周期表，大家都非常熟悉，它所包含的元素其实并不是一直都存在的。实际上，元素起源的故事要回到138亿年前的大爆炸。在大爆炸后的约15分钟， 宇宙中才产生了第一批的化学元素： 氢、氦和少量的锂。 这三个元素也是元素周期表中的前三个元素，除了这三种元素外，早期宇宙中没有任何其他更重的元素了。

随着时间的推移，在大爆炸约一亿年后， 宇宙中形成了第一批恒星。 在那之后，恒星便成为了元素的制造厂。在恒星的核心， 核聚变会使氢变成氦。 只要有足够的燃料， 聚变就会一直发生下去。 但正如生命一样，恒星也会死亡。在恒星的演化末期，随着燃料的耗尽，它们会以越来越快的速度制造重元素。在一段时间内， 恒星内的氦会转化为碳和氧。 之后，氧会聚变成硅、磷和硫。 在恒星漫长生命的最后阶段， 它会产生像铁这样的金属。一旦恒星开始产生铁，就再也没有任何事物可以阻止引力的无情摧毁。在不到一秒种的时间里，恒星会在自身的引力下坍缩，然后爆炸成超新星，向宇宙中喷射出新生成的元素。

宇宙中最重的那些元素，都是由所谓的r过程，也就是快中子捕获过程创造出来的。 在这个过程中，原子核会迅速地吸收中子， 然后经历放射性衰变，从而产生新的元素， 比如铂、金、铀等重元素。

图：当两颗中子星相互并合时，中子和原子核（比如铁核）会飞溅出来，一堆中子会在很短的时间内（通常不到一秒）聚集在原子核上，然后原子核中的中子会衰变，从而形成重元素（比如金）。

R过程需要大量的能量和大量的中子才能实现，所以，它常发生在富含中子的环境中，比如双中子星并合。那些质量是太阳好几倍的恒星，在死亡时，核心就会坍缩成中子星。几年前，天文学家已经在一起重大的双中子星并合事件中，证实了它会产生大量的重元素。

尽管科学家对于r过程的工作原理已经有了大致的了解， 但对于产生比铀更重的元素的r过程仍就知之甚少。 而且由于r过程的发生条件非常极端， 因此也无法在实验室中展开研究。

所以，在新的研究中，为了能更好地理解r过程， 研究人员对银河系中的42颗非常古老的恒星中的各种元素数据， 进行重新梳理和检查。 这些恒星都包含了r过程元素。

通过对这些恒星中发现的每种重元素的数量进行更广泛的观察，他们发现，在这些恒星中，元素钌、铑、钯、银的丰度与一组较重的元素存在相关性，当其中一组元素增加时，另一组中相应的元素也会呈正相关性增加。

在不同的恒星中出现这种现象的唯一合理解释是，在重元素的形成过程中，存在一个统一的过程。研究人员在测试了所有的可能性后，认为裂变是唯一能够重现这一趋势的解释。裂变基本上与聚变相反。它是指重元素分裂产生较轻元素时释放能量的过程。

新的研究结果表明，一些r过程事件可以产生比铀重的元素， 然后它们会衰变成在恒星中观测到的元素。 换句话说， 位于元素周期表中段的一些元素，比如银和铑，很可能是一些重元素裂变的残余。更令人惊讶的是，研究人员发现，R过程可以产生裂变前原子质量数至少为260的元素，其原子核中的中子数远远超过质子。

这项研究不仅提供了宇宙中存在裂变的第一个证据，也大大加深了我们对元素形成的理解。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者名称：沈雯

审核：张双南 中国科学院高能物理研究所 研究员

出品：中国科协科普部

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