這聽(tīng)起來(lái)或許有些驚人，每一年，宇宙中都有約一千億顆恒星誕生，同時(shí)也有同樣多的恒星走向死亡。是的，就像生命一樣，恒星也會(huì)有自己的生命周期。為了了解恒星的生命過(guò)程，核物理學(xué)家和天體物理學(xué)家往往會(huì)聯(lián)手，共同揭開(kāi)發(fā)生在恒星內(nèi)部的物理過(guò)程，從而預(yù)測(cè)恒星的終極命運(yùn)。

　　恒星的演化和最終命運(yùn)取決于它誕生時(shí)的質(zhì)量。像太陽(yáng)這樣的低質(zhì)量恒星在脫離外層時(shí)會(huì)先變成紅巨星，接著轉(zhuǎn)變成由碳和氧構(gòu)成的白矮星。那些比太陽(yáng)質(zhì)量至少高出 11 倍的大質(zhì)量恒星也會(huì)先轉(zhuǎn)變?yōu)榧t巨星，但在這些巨星的核心，核聚變?nèi)匀粫?huì)繼續(xù)，直到核心完全變成鐵核。一旦發(fā)生這種情況，恒星就會(huì)停止產(chǎn)生能量，并開(kāi)始在引力的作用下坍縮。恒星的核心隨后會(huì)被壓縮成中子星，而其外層則在超新星爆炸中被噴射出來(lái)。

　　然而，科學(xué)家對(duì)于中等質(zhì)量恒星(質(zhì)量約為太陽(yáng)的 7 到 11 倍)的演化就不是那么清晰了。研究人員認(rèn)為，它們會(huì)有兩種截然不同的死亡途徑，一種是通過(guò)熱核爆炸，另一種是通過(guò)引力坍縮。究竟會(huì)發(fā)生哪一種情況，取決于當(dāng)氧核開(kāi)始聚變時(shí)的恒星內(nèi)部條件。研究人員認(rèn)為，要確定中等質(zhì)量恒星的死亡結(jié)局，關(guān)鍵在于了解一種氖同位素的性質(zhì)及其捕獲電子的能力。

　　在剛發(fā)表的兩篇論文中[1-2]，研究人員第一次測(cè)量了一種罕見(jiàn)的衰變——氟(F)衰變成氖(Ne)，計(jì)算結(jié)果顯示出更有可能讓中等質(zhì)量恒星走向死亡的是熱核爆炸，而不是引力坍縮。

　　氟和氖的故事與所謂的禁戒核躍遷有關(guān)。原子核和原子一樣，具有不同的能級(jí)，因此可以存在于不同的能態(tài)。對(duì)于給定的放射性原子核，恒星內(nèi)部的條件(如溫度和等離子體的密度)決定了它可能的能態(tài)。每個(gè)能態(tài)的量子力學(xué)性質(zhì)決定了原子核可能的衰變路徑。在地球上，如果衰變路徑發(fā)生的可能性很高，則稱(chēng)為容許衰變。相反，如果可能性很低，這種躍遷就被稱(chēng)為禁戒。但在恒星內(nèi)部的極端條件下，這些被禁戒的躍遷會(huì)更頻繁地發(fā)生。因此，當(dāng)研究人員在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量核反應(yīng)時(shí)，來(lái)自禁戒躍遷的極小貢獻(xiàn)往往是天體物理學(xué)應(yīng)用中最關(guān)鍵的測(cè)量。

　　恒星中的一個(gè)重要的禁戒躍遷會(huì)通過(guò)²?F衰變成²?Ne，或者通過(guò)²?Ne 捕捉一個(gè)電子產(chǎn)生²?F將氟和氖連接起來(lái)。在大多數(shù)時(shí)候，躍遷會(huì)涉及到激發(fā)²?Ne 核(²?Ne²?)，但在特定的條件下，躍遷主要會(huì)發(fā)生在²?Ne 的基態(tài)(²?Ne??)，這種情況很可能存在于中等質(zhì)量恒星中。恒星的爆炸機(jī)制被預(yù)測(cè)在很大程度上取決于²?Ne 的電子捕獲率。所以測(cè)量躍遷發(fā)生在²?Ne??的頻率是理解恒星命運(yùn)的關(guān)鍵。²?F和²?Ne??之間的躍遷是Oliver Kirseborn和他的同事想要測(cè)量的。

　　在芬蘭 JYFL 加速器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，Kirsebom 和他的同事們用一束²?F原子核轟擊了一片碳箔，在這個(gè)碳箔上植入了放射性原子核。然后他們監(jiān)測(cè)了氟原子核的放射性衰變，這個(gè)過(guò)程釋放出一個(gè)高能電子和一個(gè)中微子。他們將衰變產(chǎn)生的高能電子集中在閃爍體探測(cè)器上，通過(guò)電子撞擊時(shí)產(chǎn)生的光來(lái)測(cè)量它們的能量。

　　研究人員測(cè)量了那些能量超過(guò) 5.8MeV 的電子。這些電子只能通過(guò)²?F到²?Ne??的禁戒躍遷產(chǎn)生。當(dāng)²?F衰變成²?Ne²?時(shí)，衰變釋放的 1.634MeV 能量(即衰變能量)會(huì)被隨后由激發(fā) Ne 所發(fā)射的光子帶走。但當(dāng)²?F衰變成²時(shí)，全部的衰變能量(7.024MeV)會(huì)轉(zhuǎn)給電子和反中微子。由于這種差異，由禁戒躍遷發(fā)射的電子比由更常見(jiàn)躍遷發(fā)射電子攜帶更多的能量。通過(guò)仔細(xì)計(jì)算每一種能量的電子數(shù)，研究小組確定了²?F衰變至²?Ne??的幾率為 0.00041%(大約 25 萬(wàn)分之一)。這聽(tīng)起來(lái)很小，但這一比例足以使它成為任何原子核中測(cè)量到的第二強(qiáng)的禁戒躍遷。

　　為了理解他們的結(jié)果對(duì)中等質(zhì)量恒星死亡的影響，Kirsebom 和他的同事們用他們測(cè)得的衰變率來(lái)計(jì)算²?Ne 在恒星環(huán)境下的電子捕獲率，得出的電子捕獲率比之前的計(jì)算結(jié)果高出 8 個(gè)數(shù)量級(jí)。接著，他們把這個(gè)較大的捕獲率輸入到中等質(zhì)量恒星的模擬中，觀察到恒星核心的早期加熱和低密度下的氧聚變。基于這些觀測(cè)結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)與以前利用更小的電子捕獲率所作的預(yù)測(cè)相比，核聚變的能量要更小。在他們的所有模擬中，研究小組都觀察到了恒星的消亡是源自于熱核爆炸。這次爆炸只是部分地破壞了恒星，留下了一顆主要由氧、氖和鎂組成的白矮星。

　　Kirseborm 和他的同事獲得的結(jié)果是精確核天體物理學(xué)的一個(gè)里程碑。在第一次嘗試之后的幾十年里，研究人員進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置來(lái)測(cè)量這個(gè)被禁止的β衰變躍遷——這是中等恒星核演化中最后的核物理不確定性。

　　但是，這些恒星的演化仍然存在一些懸而未決的問(wèn)題。研究人員現(xiàn)在需要關(guān)注熱力學(xué)，了解這些恒星核心是否會(huì)因?yàn)閷?duì)流而變得不穩(wěn)定，因?yàn)閷?duì)流會(huì)混合物質(zhì)，并將能量從核心向外輸送。這種混合可以抵消電子捕獲率提高的影響，這意味著中等質(zhì)量恒星也可能會(huì)因?yàn)橐μs而消亡。

　　只有當(dāng)了解了恒星內(nèi)部發(fā)生的所有過(guò)程的細(xì)節(jié)，才能解開(kāi)這些天體是如何演化和死亡的秘密，從而幫助我們更好地了解星系化學(xué)的演化，以及宇宙中致密天體的數(shù)量。
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