仙后座A是仙后座中的一颗超新星残骸。
三重阿尔法反应示意图
当地时间12月2日，美国密歇根州立大学（MSU）的研究人员在《自然》杂志发表论文称，他们发现宇宙中最重要的反应之一可以在超新星内部加速进行。这个发现不仅挑战了地球上部分重元素的形成假说，而且还颠覆了解释行星上高含量钌、钼同位素现象的理论。
MSU物理与天文学系稀有同位素束研究中心（FRIB）的助理教授Luke Roberts在模拟运算中运用了特定的计算机代码，其团队曾用该代码模拟超新星的内部环境。“我们花费了大量时间确保结果的正确性，”Roberts说。结果显示，超新星内部最深处碳原子的形成速度比原本预估的速度高10倍以上。生成这种碳原子的反应叫作“三重阿尔法反应”（triple-alpha process）。
地球及地球上一切事物（包括人类）的组成原子都形成于恒星之中。而对于地球生命来说，也许没有什么恒星物质比宇宙中三重阿尔法反应生成的碳更重要了。这一反应始于阿尔法粒子，它是氦原子的核心，即原子核。每个阿尔法粒子由两个质子和两个中子组成。在三重阿尔法反应中，恒星将三个阿尔法粒子融合在一起，从而形成一个包含6个质子和6个中子的新粒子——这是宇宙中最常见的碳形式。虽然其他核反应过程也产生了碳同位素，但这些同位素只占地球上碳原子的1%多一点。然而，将三个阿尔法粒子融合的反应通常效率低下，除非有“催化剂”介入。该研究团队揭示，超新星最深处区域恰好具有这种“催化剂”——丰富的质子。在三重阿尔法反应中，三个阿尔法粒子融合并形成一个能量过剩的碳原子，必须经过“霍伊尔状态”（Hoyle state）。霍伊尔状态下，融合的原子可能重新分裂成阿尔法粒子，或者通过释放伽马射线还原到稳定碳的基态。在超新星内部，额外的质子可以促进稳定碳的生成。因此，在富含质子的超新星中，三重阿尔法反应会加速进行。
不过，三重阿尔法反应的加速效应也抑制了超新星生成（元素周期表上）重元素的能力。这一点很重要，因为长期以来，科学家们一直认为，富含质子的超新星塑造了地球上丰富的钌、钼同位素（这些同位素包含近100个质子和中子）。根据这项最新研究结果，它们并不是在富含质子的超新星中形成的。因此，科学家必须找到其他理由解释这些同位素的存在及丰度。
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编译：朱明逸
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《自然》
期刊编号： 0028-0836
原文链接：
https://phys.org/news/2020-12-supernova-elemental-mystery.html
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