陨石的放射性：揭示了我们太阳系中最重元素的起源
发表在最新一期《科学》杂志上的论文中，一个国际科学家研究团队报告说，陨石的放射性揭示了我们太阳系中最重元素的起源。
该研究由作为国际核天体物理学研究网络（IReNA）和核天体物理联合研究所——元素演化中心（JINA-CEE）的科学家领导。
研究团队回顾到46亿年前的太阳系形成过程，获得了对周期表中最重元素的宇宙起源的新见解。如图所示太阳系的形成，记录了放射性核被掺入会变成陨石的固体中的那一刻。
什么是最重元素？
最重原子核（heaviest atomic nuclei）是在核反应中产生的，该反应将大小不等的另外两个核合并为一个核。一般来讲，两个原子核之间的质量越不相等，两个原子核发生反应的可能性就越大。将较重核制成的材料制成目标，然后由较轻核束轰击。如果两个原子核彼此靠近得足够近，它们就只能融合成一个原子核。
通常，核（全部带正电）由于静电排斥而互相排斥。强相互作用能够克服这个斥力，但仅限于从核很短的距离。因此，束核很大以至使这种排斥与束核的速度相比微不足道，而被加速。靠得很近还不足以使两个原子核融合：当两个原子核互相靠近时，它们通常会保持在一起约10^-20 秒，然后分开，而不是形成单个核。如果确实发生了聚变，则被称为复合核的临时合并为激发态。为了失去其激发能并达到更稳定的状态，复合核要么裂变、要么发射出一个或几个中子带走能量。这发生在初始碰撞后大约10^-16秒。
如图所示核聚变反应示意图。两个核融合成一个，发射出一个中子。到目前为止，产生新元素的反应是相似的，唯一可能的区别是有时会释放几个奇异中子，或者根本不会释放。
强烈的相互作用提供了核的稳定性。但是，它的范围很短。随着原子核变大，其对最外面的核子（质子和中子）的影响减弱。同时，由于质子之间的距离，质子之间的静电排斥力使原子核破裂。因此，从理论上预测了最重元素的核，到目前为止，已经观察到主要通过由这种排斥引起的衰变模式进行衰变：α衰变和自发裂变；这些模式主要是超重元素的原子核。
因此，旨在合成最重元素之一的物理学家可获得的信息是在检测器处收集的信息：粒子到达检测器的位置、能量和时间以及其衰减的信息。物理学家分析了这些数据并试图得出结论，它确实是由一种新元素引起的。
最重元素之谜
数十年来，什么样的天文学事件可以产生最重的元素一直是个谜。目前，人们认为一种称为R-过程的可能发生在两个中子星之间，中子星与黑洞之间的剧烈碰撞中，或者在大质量恒星死亡后发生的罕见爆炸中。
我们日常生活中所遇到的重元素，例如铁和银，在137亿年前的宇宙诞生之初尚不存在。它们是通过称为核合成（nucleosynthesis）的核反应产生的，核反应将原子结合在一起。特别是碘、金、铂、铀、钚和锔等最重元素）是通过R-过程的特定类型的核合成而生成的。
R-过程，英文全称：rapid neutron-capture process, 缩写为 r-process，或称为快中子捕获过程，是在核心发生塌缩的超新星中创造富含中子且比铁重的元素的程序，并创造了大约一半的数量。
如此高能的事件在宇宙中很少发生。当它们发生时，中子被结合到原子核中，然后转化为质子。由于元素周期表中的元素由原子核中的质子数定义，因此r过程会随着捕获更多中子而建立更重的原子核。
R-过程产生的某些原子核是放射性的，需要数百万年才能衰变成稳定的原子核。碘-129和锔-247是在太阳形成之前产生的两个这样的核。它们被掺入固体中，这些固体最终以陨石的形式落在地球表面上。在这些陨石内部，放射性衰变产生了过量的稳定核。如今，可以在实验室中测量这种过量，以计算出刚刚形成的太阳系中存在的碘-129和锔-247的量。
为什么这两个R-过程核如此特殊？它们具有共同的特性：它们以几乎完全相同的速率衰减。换句话说，数十亿年前，碘-129和锔-247之间的比例就没有改变。
研究人员说，“这是一个令人惊讶的巧合，特别是考虑到这些原子核是仅能在陨石中测量的五个放射性R-过程核中的两个，” “随着碘-129与锔-247的比例被及时冻结，就像史前的化石一样，我们可以直接观察最后一波重元素生产浪潮，该浪潮构成了太阳系的组成以及其中的一切。”
带有53个质子的碘比带有96个质子的锔更容易生成。这是因为需要更多的中子捕获反应才能达到锔的更多质子数。因此，碘-129与锔-247的比例在很大程度上取决于其生成过程中可用的中子数量。
研究小组计算了中子星和黑洞之间碰撞产生的碘-129与锔-247的比率，以找到合适的条件来再现陨石的成分。他们得出的结论是，在太阳系诞生之前的最后一个R-过程事件中可用的中子数量不能太高。否则，相对于碘会产生过多的锔。这意味着非常富中子的源（例如在碰撞过程中从中子星表面剥落的物质）可能没有发挥重要作用。
那么，是什么产生了这些R-过程核？
尽管研究人员可以提供有关其制作方法的新颖而有见地的信息，但他们无法确定创造它们的天文物体的性质。这是因为核合成模型是基于不确定的核特性，因此，尚不清楚如何将中子的可利用性与特定的天文物体（例如大质量恒星爆炸和碰撞中子星）联系起来。
研究人员表示：“碘-129与锔-247的比率能够更直接地反映出重元素核合成的基本性质的能力是一个令人兴奋的未来。”借助这种新的诊断工具，天文学模拟的保真度和对核特性的理解方面的进步可以揭示哪些天文物体构成了太阳系中最重的元素。