核物理学家质疑太阳系中放射性铍的起源

科学家们已经确定，在太阳系中一些最古老的固体(如陨石)中发现的一种稀有元素，之前被认为是在超新星中形成的，实际上早于此类宇宙事件，这对长期以来关于其起源的理论提出了挑战。

美国能源部橡树岭国家实验室的科学家领导了对放射性同位素铍-10 的研究，这种同位素在 45 亿至 50 亿年前太阳系形成时就已存在。他们探究了在巨大恒星(称为超新星)的垂死大期间，这种同位素是否能够大量形成。

参与发表在《物理评论 C》杂志上的这项研究的 ORNL 核天体物理学家 Raphael Hix 说：“这种恒星不太可能是这种同位素的主要来源，因为它是在早期太阳系中观察到的。” ”这些发现“有助于我们了解太阳系和整个银河系的历史。”

科学家推测，铍-10 更可能是所谓的宇宙射线散裂的结果，即与随机且无处不在的高能质子以及其他同位素(如碳-12)相互作用，这些同位素以接近光速的速度在整个宇宙中向各个方向运动。

当恒星死亡时，它会将原子从其核心喷射到星际介质中，星际介质是填充星系中恒星之间的低密度物质。恒星中同位素和元素的形成过程称为核合成。最终，星际介质的一部分将聚集起来形成下一代恒星及其相关行星。这种原子汤中包括碳-12，它偶尔会与宇宙射线相撞。

当这些高能射线与碳-12原子碰撞时，“它会彻底破坏原子核，剩下的可能就是铍-10，”希克斯说。

大约 45 亿年前，太阳系由一团巨大的气体分子云坍缩而成，形成了一个旋转的物质盘，被称为太阳星云。数百万年来，引力使物质聚结，从而形成了太阳及其所有行星。

铍-10 的半衰期(即一半放射性核衰变所需的时间)相对较短，为 140 万年。这意味着今天在地球上发现的任何铍-10 都是在太阳系形成很久之后形成的。

然而，科学家在一些陨石中发现了硼-10，这是铍-10 的衰变产物。硼-10 与非放射性铍同位素的存在意味着，太阳系形成时，新生成的铍-10 就已经存在了。

希克斯和当时的博士后研究员安德烈·西弗丁(现为劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究员)利用美国能源部国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算资源，计算出超新星产生的不同元素和同位素的数量。

超新星可能发生在质量为太阳 10 至 25 倍的恒星上。他们得到了田纳西大学本科生、在橡树岭国家实验室工作的丹尼尔·泽特伯格以及圣母大学同事的帮助。

如果短寿命同位素，例如铍-10，可以来自超新星，那么根据流行的科学思想，这将支持太阳系的形成是由超新星直接引发的观点。

然而，最近的计算结果对这一想法提出了挑战，至少对于铍-10 而言是如此。来自核实验的新数据(原子核碰撞产生新原子核)揭示了核特性，这些特性可提高将铍-10 转化为其他同位素的反应速率。这一速率取代了 50 多年前对反应速率的估计。

通过改进的实验在实验室中进行测量，可以得到更准确、更详细的图像。科学家计算出的新反应速度比以前的实验快 33 倍。

Sieverding、Zetterberg 和 Hix 确定新的速率足以有效摧毁超新星中的铍-10。因此，超新星坍缩和“不太可能产生足够的铍-10 来解释陨石中观测到的铍-10，”Hix 说。

“这几乎可以肯定，散裂确实是铍-10 的来源，”希克斯补充道。“除非这一质量范围内恒星的结构模型发生重大变化，否则这些发现表明需要另一种铍-10 来源。”

西弗丁表示：“因此，超新星不太可能是早期太阳系中铍-10的来源。”

这项研究是多个机构合作完成的。橡树岭国家实验室的 Sieverding、Hix 和 Zetterberg 进行了天体物理模拟和核合成计算。圣母大学的 Jaspreet Randhawa、Tan Ahn 和 Richard James deBoer 解读了实验数据，得出了相关的反应速率。

德国达姆施塔特工业大学的里卡多·曼奇诺和加布里埃尔·马丁内斯-皮涅多对反应速率进行了理论计算。由于反应速率太慢，无法直接测量，因此他们在实验中测量了原子核的性质，理论学家将这些性质转化为反应速率。