我們宇宙中幾乎所有的氧氣都是在像太陽這樣的大質(zhì)量恒星的肚子里鍛造出來的。隨著這些恒星收縮和燃燒，它們在其核心內(nèi)引發(fā)了熱核反應(yīng)，碳和氦的核可以在一個罕見但必不可少的核反應(yīng)中相互碰撞并融合，這種核反應(yīng)在宇宙中產(chǎn)生大量氧氣。

這種產(chǎn)生氧氣的反應(yīng)速度非常難以確定。但是，如果研究人員能夠?qū)λ^的“輻射捕獲反應(yīng)速率”做出足夠好的估計，他們就可以開始找出基本問題的答案，例如宇宙中碳與氧的比例。準(zhǔn)確的速率也可以幫助他們確定爆炸的恒星是否會以黑洞或中子星的形式出現(xiàn)。

現(xiàn)在麻省理工學(xué)院核科學(xué)實驗室(LNS)的物理學(xué)家已經(jīng)提出了一種實驗設(shè)計，可以幫助確定這種氧氣生成反應(yīng)的速度。該方法需要一種仍在建造中的粒子加速器，在世界各地的幾個地方。一旦啟動并運(yùn)行，這種“多兆瓦”線性加速器可以提供恰當(dāng)?shù)臈l件來反向運(yùn)行產(chǎn)生氧的反應(yīng)，就好像轉(zhuǎn)回恒星形成的時鐘一樣。

研究人員表示，這種“反應(yīng)”應(yīng)該能夠讓他們估算出恒星實際發(fā)生的反應(yīng)速率，其準(zhǔn)確度比以前更高。

“物理學(xué)家的工作描述是了解世界，而現(xiàn)在，我們并不完全了解宇宙中氧氣的來源，以及氧氣和碳是如何制造的，”物理學(xué)教授理查德米爾納說。麻省理工學(xué)院。“如果我們是對的，這種測量將幫助我們回答核物理中關(guān)于元素起源的一些重要問題。”

米爾納是今天出版在物理評論C期刊上的一篇論文的合著者，同時還有主要作者和MIT-LNS博士后IvicaFriš?i?和麻省理工學(xué)院理論物理中心高級研究科學(xué)家T. William Donnelly。

急劇下降

輻射捕獲反應(yīng)速率是指碳-12核與氦核之間的反應(yīng)，也稱為α粒子，發(fā)生在恒星內(nèi)。當(dāng)這兩個核碰撞時，碳核有效地“捕獲”α粒子，并且在此過程中，被激發(fā)并以光子的形式輻射能量。遺留下來的是氧氣-16核，它最終衰變成我們大氣中存在的穩(wěn)定形式的氧氣。

但是這種反應(yīng)在恒星中自然發(fā)生的可能性非常小，因為α粒子和碳-12核都是高度帶正電的。如果他們確實緊密接觸，他們自然傾向于排斥，在所謂的庫侖力量。為了融合形成氧氣，該對必須以足夠高的能量碰撞以克服庫侖力 - 這是罕見的。在恒星內(nèi)存在的能級下，不可能檢測到如此極低的反應(yīng)速率。

在過去的五十年中，科學(xué)家們試圖在小而強(qiáng)大的粒子加速器中模擬輻射捕獲反應(yīng)速率。他們通過碰撞氦和碳束來實現(xiàn)這一目的，希望融合來自兩個光束的原子核以產(chǎn)生氧氣。他們已經(jīng)能夠測量這些反應(yīng)并計算相關(guān)的反應(yīng)速率。然而，這種加速器碰撞粒子的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于恒星發(fā)??生的能量，因此目前對產(chǎn)氧反應(yīng)速率的估計很難推斷到恒星內(nèi)實際發(fā)生的情況。

“這種反應(yīng)在較高的能量下是眾所周知的，但隨著能量的下降，它向著有趣的天體物理區(qū)域急劇下降，”Friš?i?說。