新的研究表明，宇宙裂变可能在重元素的形成中发挥作用。对老恒星的分析揭示了轻金属和稀土核之间的相关性，表明了已知元素周期表之外的超重核的产生。这一发现证实了宇宙裂变理论，并表明存在原子质量为260的元素，扩大了我们对宇宙的理解。
元素周期表上铁元素之上的元素被认为是在灾难性的爆炸中产生的，比如两颗中子星的合并，或者是在罕见的超新星中产生的。新的研究表明，在重元素产生的过程中，裂变可能在宇宙中起作用。通过对存在于非常古老的恒星中的各种元素的数据进行梳理，研究人员发现了一个潜在的裂变特征，这表明大自然可能会产生超出元素周期表上最重元素的超重核。
洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的理论物理学家马修·芒鲍尔(Matthew Mumpower)说:“人们认为宇宙中发生了裂变，但到目前为止，还没有人能够证明这一点。”他在《科学》杂志上发表了一篇介绍这项研究的论文。
Mumpower说，通过最新的观察，研究人员发现了轻精密金属(如银)和稀土核(如铕)之间的相关性。当其中一组元素增加时，另一组中相应的元素也会增加-相关性为正。
两颗中子星的合并是通过快速中子捕获过程合成元素周期表上较重元素的主要候选地点之一。这张照片显示了两颗中子星相撞，释放出放射性原子核迅速捕获的中子。中子俘获和放射性衰变的结合随后产生更重的元素。整个过程被认为在一秒钟内发生。来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室(Matthew Mumpower)
“极其深刻”的裂变证据
“在不同的恒星中出现这种现象的唯一合理的方法是，在重元素的形成过程中存在一个一致的过程，”Mumpower说。研究小组测试了所有的可能性，裂变是唯一能够重现这一趋势的解释。
Mumpower说:“这一发现意义深远，是宇宙中存在裂变的第一个证据，证实了我们几年前提出的一个理论。”“随着我们获得更多的观测结果，宇宙在说，嘿，这里有一个特征，它只能来自裂变。”
这项研究还表明，原子质量(质子数加上中子数)为260的元素可能存在，比元素周期表高端的元素更重。
Mumpower开发了用于预测和指导观测结果的裂变模型，该模型由北卡罗来纳州立大学的研究作者Ian Roederer领导。
大量的研究
天体物理学家一直认为，铁以外的重元素是在超新星爆炸或两颗中子星合并时形成的。顾名思义，后者主要由中子组成，而中子与质子一起构成了所有原子的原子核。通过被称为r过程的快中子捕获过程，原子核捕获中子形成更重的元素。是否有些原子变得太重而无法聚集在一起而分裂，或者发生裂变，形成两个更轻但仍然很重的元素原子(并释放出巨大的能量)，半个世纪以来一直是一个谜。
在2020年的一篇论文中，Mumpower首次预测了r过程核的裂变碎片分布。随后，由TRIUMF的合作者Nicole Vassh领导的一项研究预测了轻精密金属和稀土核的共同生产。钌、铑、钯和银等元素以及铕、钆、镝和钬等元素的共同产生，可以通过将预测结果与一组恒星中的元素丰度进行比较来检验。
由Roederer领导的新分析梳理了来自42颗恒星的观测数据，并精确地发现了预测的相关性。这种模式提供了裂变产生这些元素的清晰标志，以及元素周期表上稍微重一些、高一些的元素的类似模式。
“在r过程增强的恒星中，我们有足够的数据，这种相关性非常强。大自然每产生一个银原子，就会按比例产生更重的稀土原子核。这些元素组的组成是同步的。”“我们已经证明，只有一种机制可以负责——裂变——自20世纪50年代以来，人们一直在为此绞尽脑汁。”
从库存管理到星星
“在洛斯阿拉莫斯，我们开发了核裂变模型，因为作为实验室使命的一部分，我们无法测量与武器研究相关的所有东西，”Mumpower说。这些模型使物理学家能够解释实验，并在缺乏测量时补充数据。自1992年美国停止核武器试验以来，有关裂变的实验数据一直很有限。
与测量数据相比，这些模型表现得非常好，因此在没有测量的情况下，它们的推断是可信的。Mumpower说，短寿命和长寿命物种的核输入都是研究重元素形成所必需的。裂变产量是将相对较重的原子分裂成较轻的原子的过程的产物，这与核武器和反应堆中使用的过程相同。
参考资料:“恒星中的元素丰度模式表明比铀重的原子核的裂变”，作者:Ian U. Roederer, Nicole Vassh, Erika M. Holmbeck, Matthew R. Mumpower, Rebecca Surman, John J. Cowan, Timothy C. Beers, Rana Ezzeddine, Anna Frebel, Terese T. Hansen, Vinicius M. Placco和Charli M. Sakari, 2023年12月7日，Science。DOI: 10.1126 / science.adf1341
资助:洛斯阿拉莫斯国家实验室的实验室指导研究和发展计划。
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