科学家找到了碳元素为何在宇宙中如此丰富的原因

根据澳大利亚和挪威物理学家的最新测量结果，恒星产生碳的速度比之前想象的要快得多。

澳大利亚国立大学的核物理学家、主要研究人员之一蒂博·基贝迪说：“这是一个非常令人惊讶的结果，对整个天体物理学都有深远的影响。”。

这项测量对我们理解恒星、元素的产生甚至生命的组成产生重大影响。

恒星是元素的建造者：在其内核的核熔炉中，数十亿年来它们将氢和氦原子熔合成逐渐变重的元素。我们呼吸的氧气、电脑等设备中的硅以及我们身体中的钙、碳和铁，都是在一颗遥远、垂死的恒星的心脏中产生的。

对天体物理学家来说，了解创造每种元素所需的特定核过程是一个持续的目标，但碳的产生历史上让他们摸不着头脑。

恒星通过三阿尔法过程产生碳，这需要三个氦原子核（也称为阿尔法粒子）在一秒钟内发生碰撞并融合。这是一个不太可能的过程，以至于天体物理学家一直在努力解释今天宇宙中碳和更重元素为何如此丰富。

天文学家弗雷德·霍伊尔在1953年提出了一个解决方案，科学作家马库斯·周恩在他的《魔法炉》一书中称之为“科学史上最离谱的预测”。

他预言了一种奇特的碳激发态的存在，它几乎与三阿尔法过程的能量相匹配，被称为霍伊尔Hoyle态，他认为这将成为生产稳定碳的垫脚石，但即便如此，可能性也很小。

澳大利亚国立大学核物理学家蒂博基贝迪

Kibédi解释说：“每产生2500个Hoyle态核，只有一个会转变成稳定的碳。剩下的都四分五裂了。”

直接测量碳产生速率是很困难的，因此Kibédi和他的同事们通过观察Hoyle态中的两个跃迁间接地计算了它——一个使用澳大利亚国立大学的重离子加速器设施，另一个使用奥斯陆大学的回旋加速器实验室。

通过综合这些结果，研究人员发现，碳的生成速度比之前想象的要快34%——这是一个巨大的飞跃。这项新的测量是40多年来对这一重要天体物理量的首次重大更新。

“这真是出乎意料，”Kibédi说。“自1976年以来，没有人研究过这种特殊的测量方法。大家都以为这是众所周知的。”

研究结果发表在两篇论文上，一篇发表在《物理评论C》上，另一篇发表在《物理评论快报》上。

澳大利亚国立大学的天文学家梅里迪思·乔伊斯（Meridith Joyce）表示，如果这项新的测量结果成立，这将是恒星天体物理学的一个重大事件。

她解释说：“像这样提高碳产量将对我们的许多模型产生重大影响。”。“这将影响我们对恒星如何随时间变化的理解，它们如何产生比碳重的元素，我们如何测量恒星的年龄和它们将持续多久，我们期望看到超新星爆炸的频率，甚至它们是留下中子星还是黑洞。”

麦格理大学的天文学家Gayandhi De Silva也认为，通过我们对恒星核合成的了解，这些发现可能会产生重要影响。

“对反应速度更高精度的测量能帮助改进模型预测，从而在与观测到的恒星化学丰度数据进行比较时提供更好的理解，”德席尔瓦说。

因此，Kibédi和他的同事们预计，他们的研究方法和结论将受到其他科研团队的研究和确认，他们有信心，各国科学家的进一步研究将证实他们的结论。

“重要的是要做更多的实验来进行验证，”Kibédi说。“我们在澳大利亚国立大学的最初计划是首次在一个实验中观察到两个Hoyle态转变的衰变。我仍然希望我们能做到这一点。”

进一步研究碳和其他元素的产生不仅可以提高我们对恒星演化的认识，而且可以提高我们对生命本身的认识，因为碳是我们所知道的所有生命的化学基础。