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2019年10月28日 23:18:01     作者:admin     分类:新闻世界     阅读次数:303    

国际中简直一切的氧都是在像太阳这样的大质量恒星内部铸造而成的。跟着这些恒星的缩短和焚烧,它们会在中心内部引发热核反响,碳和氦的原子核能够在那里发作磕碰和聚变。这是一种尽管稀有但却必不行少的核反响,发作了国际中的大部分氧。

可是,咱们很难确认这种产氧反响的速率。麻省理工学院(MIT)的物理学教授Richard Milner说:“物理学家的责任是了解这个国际,可是现在咱们并不十分了解国际中的氧终究来自何方,也不甚清楚氧和碳是怎么构成的。”

假如物理学家对所谓的“辐射抓获反响速率”这个物理量能有满足好的估量,那么一些基本问题也就能够得到答复,比方国际中碳与氧的份额。此外,准确的速率能够协助咱们确认爆破的恒星是否会构成黑洞或中子星。

现在,Milner与他的搭档提出了一种能确认这种产氧反响速率的试验设计。这一试验办法需求用到一种“多兆瓦”的线性粒子加速器,这类加速器坐落国际的好几个当地,现在仍在制作中。一旦发动并运转起来,这些加速器或许能供给适可而止的条件,使产氧反响反向进行,就像倒转了恒星构成的时钟。

这样的“逆反响”应该能让研讨人员对实践发作在恒星中的反响速率有一个很好的估量,其准确度可高于此前的研讨成果。Milner说:“假如咱们是对的,那么这项丈量将能够协助咱们答复核物理中与元素来源有关的一些重要问题。”

急剧下降

辐射抓获反响速率指的是发作在恒星内部的碳-12核与氦核(也被称为α粒子)之间的反响。当这两个原子核发作磕碰时,碳原子核就会“抓获”α粒子,并在这个过程中遭到激起,以光子的方式辐射出能量。然后留下一个氧-16核,终究衰变为一种能以稳定性是存在于咱们大气中的氧。

但在恒星中,这种反响天然发作的几率十分小,由于α粒子和碳-12原子核都带有正电荷。当它们近距离触摸时,库仑力会使它们天然地彼此排挤。若要聚变构成氧,这两种粒子有必要要以满足高的能量发作磕碰才干战胜库仑力的阻止,而这是一种稀有的现象。如此低的反响速率是不行能在恒星内部的能量水平上被探测到的。

在曩昔的50多年里,科学家一向企图在高能的粒子加速器中模仿辐射抓获反响速率。为了到达这一意图,他们将氦和碳的粒子束磕碰在一起,期望氦和碳的原子核能发作聚变,然后发作氧。他们现已做到了对这些反响进行丈量,并计算出相应的反响速率。可是,在加速器中,粒子发作磕碰时的能量远远高于恒星中的能量,因而导致了依据现在对产氧反响速率的估量很难揣度出恒星中实践发作了什么。

反转时刻

在这项新的研讨中,MIT的物理学家们决议重拾从前的一个概念,来制作产氧反响的逆反响。其本质上便是从氧气开端,然后把它的原子核割裂成它的开端成分:一个α粒子和一个碳-12核。研讨人员揣度,逆反响发作的概率应该比正反响更大,因而更简单丈量。并且逆反响或许能够在挨近恒星的实践能量范围下进行。

若要将氧割裂,需求用到一束具有超高电子浓度的高强度电子束。当电子束在碰击一团氧原子云时,电子含量越多,那么在数十亿个电子中存在一个能与某个氧原子发作磕碰,且其能量和动量刚好能导致氧原子割裂的电子的几率就越大。

这个主意来源于MIT的另一个研讨员Genya Tsentalovich在2000年的一个测验。后来,Milner等人以为这是一个值得深入研讨的主意,因而又重拾这一想象。正在德国和康奈尔大学制作的新一代线性加速器就有才能出产满足高强度的电子束,或者说电流,然后有或许引发逆反响。所以在2016年开端了这项新的研讨。

Milner 说:“这些具有数十毫安电流的新式高强度电子设备的呈现,从头唤起了咱们对这种(逆反响)想象的爱好。”

他们提议,能够在试验中经过向一团低温、超冷的氧原子云发射一束电子束来发作逆反响。假如一个电子能成功地与一个氧原子磕碰并将这个氧原子割裂,那么它就会以必定的能量散开,这是物理学家在之前就猜测过的。研讨人员即将在给定的能量范围内别离出包括电子的磕碰,并从这些磕碰中别离出后续发作的α粒子。

α粒子是在氧-16原子割裂时发作的。氧的其他同位素的割裂也会发作α粒子,可是这些粒子的涣散速度会比氧-16原子割裂而发作的α粒子快大约10纳秒。因而,研讨人员揣度他们将会别离出那些速度稍慢、“飞翔时刻略短”的α粒子。

然后,研讨人员就能够计算出逆反响的速率,由于α粒子割裂的速度较慢,而氧-16原子割裂的速度也相对较慢。然后,他们建立了一个模型,将恒星中天然发作的氧的正逆反响联系起来。

Milner说:“咱们实践上做的是反转时刻的反响。假如能以咱们所说的准确度来丈量,那么就应该能直接提取出反响速率,这比在任何人在这一范围内所做出的丈量要精准20倍。”

假如正在德国制作的多兆瓦线性加速器MESA的已建成并投入运转,物理学家就能够将他们的试验设计落到实处,经过试验来确认恒星为国际出产氧的速率。如此一来,这些丈量将使物理学家答复恒星中构成了多少碳和氧这一问题,这也是现在咱们关于恒星演化的了解中最大的一个不确认性。

原文链接:

http://news.mit.edu/2019/experiment-oxygen-universe-0820

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