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夜光贴纸里的锶,藏着一颗恒星的s过程

关灯之后,墙上那颗夜光星星贴纸会亮起来,幽幽地发绿。那点绿光里有锶原子。它们不是大爆炸的遗产,因为大爆炸只来得及造出氢、氦和一丝锂。你眼前这点绿光里的锶,是在另一颗恒星内部,被中子一颗一颗“喂”大的。

慢,是它的招牌

s过程(slow neutron capture process,慢中子俘获过程):原子核不断吞下中子,慢到每吃下一颗,都来得及先“消化”一下,再吃下一颗。

想象你在收拾行李箱。s过程像是慢条斯理地装:塞进一件东西(中子),停下来重新叠一遍(中子转变成质子,也就是β衰变),再塞下一件。最后箱子合得上,东西规规矩矩。r过程(快中子俘获)则是抢购:抱着东西就跑,来不及整理,很多包裹半路就散架。

为什么要来回折腾?因为恒星靠核聚变发光,聚变到铁就“亏本”,更重的元素没法再靠聚变造出来。想越过铁这道坎,只好让原子核去抓中子。中子不带电,不受原子核正电荷的排斥,能贴近去。

中子从哪儿来

主要产地在AGB星(渐近巨星分支星,恒星晚年膨胀成红巨星的阶段)。那里温度约1亿摄氏度,碳-13抓住一个氦核,会吐出一个中子。中子密度估计每立方厘米上亿个,听起来不少,可对一个原子核来说,平均要等上几年甚至上千年才撞上一个中子;而它一旦多吃一颗,几分钟到几天内就会β衰变。

慢,就慢在这两个时间尺度的落差上。s过程因此只能沿着稳定核的“河谷”往上爬,一步一个脚印,不越级。

1952年,一道不该出现的谱线

美国天文学家保罗·梅里尔(Paul Merrill)在几颗S型星的光谱里,认出了锝的吸收线。锝没有稳定同位素,最长寿的锝-99半衰期约21万年。恒星却活了几十亿年。如果这些锝不是这颗星此刻正在制造的,它们早该衰变干净了。

这是“元素正在恒星内部合成”最硬的观测证据之一。分寸要讲清楚:观测证实的是“锝确实在那里的星光里”;至于它由哪种中子源、在星的哪一层造出,那是模型的事。

为什么偏偏是锶、钡、铅

原子核里的中子数凑到50、82、126这样的“满员”数字时特别安稳,再想塞中子就很吃力。于是中子流走到这里会堵一下,堆出三个丰度峰:锶-88、钡-138、铅-208。

s过程在元素周期表上的收成大致是:太阳系里比铁重的元素,约有一半来自它,另一半来自r过程。你我身边就有它的作品:夜光贴纸里的锶、烟花里的红光、医院钡餐里的钡;太阳系中约一半的铅,估计也出自这条慢路。

还没数清的地方

那颗“种子”碳-13是怎么在星体里攒成一小团(业内叫碳-13口袋)、又能维持多久,目前尚无定论。2011年起还有人提出,宇宙中可能存在介于慢与快之间的i过程(intermediate process,中等中子俘获过程),用来解释一些金属极贫恒星里的异常丰度。证据还在积累,同样尚无定论。

回到那点绿光

你重新关灯,贴纸还亮着。那颗喂出锶的星,此刻也许已经坍缩成一颗白矮星,也许还在慢慢喘气。光走过来这些年里,它一直在写同一句话。

那么问题来了:银河系里这样的“慢厨房”,究竟往我们身体里送了多少重元素?这笔账,还没算完。

延伸阅读

  • Burbidge、Burbidge、Fowler 与 Hoyle,《Synthesis of the Elements in Stars》,Rev. Mod. Phys. 29 (1957),奠定元素合成理论的 B²FH 论文。
  • 纪录片《宇宙时空之旅》(Cosmos: A Spacetime Odyssey,2014)第一集,讲元素的恒星来源。
  • KADoNiS 恒星核合成中子俘获数据库(www.kadonis.org),可查具体核反应数据。

标题备选(编辑用)

  • 悬念型:银河系另一半重元素,藏在s过程里
  • 画面感型:在星体里慢炖千年的s过程
  • 提问型:比铁重的元素,都是s过程喂大的吗
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文章名称:夜光贴纸里的锶,藏着一颗恒星的s过程
文章链接:https://www.nasaeye.com/science/2273.html