宇宙中元素的起源

宇宙中元素的起源匯報人：2024-09-14概述簡介核天體物理及其前沿研究總結(jié)與展望目錄CONTENTS01概述CHAPTER宇宙中絕大部分鋰以及所有比鋰重的元素都是通過星體內(nèi)部核過程產(chǎn)生，文章簡要介紹這些核合成過程及其發(fā)生的天體物理場所以及重元素起源。核合成過程與場所深地核天體物理實驗等相關(guān)前沿研究，旨在探索宇宙中元素的起源與演化，理解地球及整個宇宙的奧秘，不斷推進天體物理、核物理等領(lǐng)域的知識邊界。前沿研究概述02簡介CHAPTER星際物質(zhì)與元素合成循環(huán)元素演化與B2FH理論Burbidge夫婦、Fowler、Hoyle及Cameron提出的B2FH理論，解釋了恒星燃燒、中子俘獲等過程，逐步合成氫到鉍的元素，形成多彩宇宙。核天體物理與元素起源大半世紀后，天文觀測、核物理理論和實驗、天體物理模型三個領(lǐng)域科學(xué)家仍在完善B2FH理論，探索宇宙中的元素起源。宇宙起源與大爆炸理論宇宙起源于大爆炸，大爆炸核合成理論預(yù)言宇宙輕核素豐度與觀測數(shù)據(jù)吻合，早期宇宙中約含75%氫、25%氦及極少量鋰。030201恒星核合成與演化超新星爆發(fā)與元素合成中微子與核合成重元素合成與宇宙演化白矮星與行星狀星云氦燃燒與核心塌縮恒星通過核聚變產(chǎn)生能量，驅(qū)動光壓與引力平衡。氫燃燒主要產(chǎn)生4He，恒星耗盡氫后，核心氦燃燒成為主要過程。氦燃燒產(chǎn)生12C和16O，耗盡后形成碳氧核心。恒星外層繼續(xù)燃燒，將產(chǎn)物拋灑至星際空間，形成星際物質(zhì)。低質(zhì)量恒星拋灑外殼層物質(zhì)形成白矮星和行星狀星云，中等質(zhì)量恒星留下碳氧核心和星云，高質(zhì)量恒星可能形成中子星或黑洞。核心碳燃燒后，引力驅(qū)動氖、氧、硅燃燒至鐵鎳，恒星塌縮形成超新星，釋放巨大能量，沖擊波打碎原子核，形成新元素。中微子與質(zhì)子中子反應(yīng)形成高中子密度區(qū)，為r-過程提供場所。恒星核心塌縮形成中子星，外層核合成產(chǎn)物拋灑至太空。星際物質(zhì)在引力作用下形成新一代恒星，經(jīng)歷多次演化后合成出太陽系中的80多種穩(wěn)定元素及長壽命釷和鈾。恒星質(zhì)量與元素起源命運中小質(zhì)量恒星燃燒后形成的白矮星可能吸積物質(zhì)并發(fā)生碳碳熔合，產(chǎn)生鐵鎳元素；大質(zhì)量恒星形成的中子星可能與其他天體形成雙星，為r-過程提供潛在場所。恒星的演化與元素合成s-過程的具體過程弱s-過程在低質(zhì)量恒星的氦殼層中發(fā)生，通過22Ne和12C產(chǎn)生中子，合成豐中子同位素。s-過程和r-過程分別合成近一半從鐵到鉍的重元素以及釷和鈾。s-過程的場所與機制s-過程由于中子俘獲和β衰變在β穩(wěn)定線附近進行，當(dāng)反應(yīng)流遇到不穩(wěn)定的210Po時，通過α衰變終止于209Bi。貴重金屬金和鉑主要是通過r-過程產(chǎn)生。s-過程的特征與產(chǎn)物r-過程發(fā)生在中子密度極高的環(huán)境中，種子核快速俘獲中子，通過β衰變和光核反應(yīng)合成原子序數(shù)更大的元素，包括s-過程無法產(chǎn)生的釷和鈾。r-過程的特性與模型快速或慢速中子俘獲過程無法解釋所有同位素來源，特別是缺中子側(cè)的同位素。這些同位素可能通過光核反應(yīng)或其他次級反應(yīng)產(chǎn)生，超新星爆發(fā)時的中微子-質(zhì)子過程也可能有貢獻。超新星與中微子過程s-過程的具體過程中子俘獲過程的角色中子俘獲1957年，Burbidge夫婦、Fowler和Hoyle以及Cameron提出重元素主要由種子核通過中子俘獲反應(yīng)和β衰變產(chǎn)生。弱s過程當(dāng)恒星質(zhì)量較小，其中子俘獲反應(yīng)速率遠低于β衰變速率，產(chǎn)生中子數(shù)目及燃燒持續(xù)時間較短，稱為弱s過程。重元素合成恒星中的聚變反應(yīng)只能產(chǎn)生鐵鎳及更輕元素，那么宇宙中從鐵到鈾的重元素是如何產(chǎn)生的。030201弱s過程能產(chǎn)生較強的中子密度，是合成豐中子同位素（如58Fe、60Fe等）的主要途徑。弱s過程作用中子俘獲過程的角色r過程發(fā)生在中子密度巨大的極豐中子環(huán)境中，持續(xù)時間約為1秒，是重元素合成的另一種重要方式。r與s過程s過程產(chǎn)生近一半從鐵到鉍的重元素；r過程產(chǎn)生另一半從鐵到鉍的重元素，以及釷和鈾。r過程特點幻數(shù)與豐度分布由于中子幻數(shù)N=50、82和126，具有幻數(shù)的原子核的中子俘獲截面較小，完美解釋太陽系同位素豐度分布特征峰位。r過程重要性太陽系中的貴重金屬，金(197Au)和鉑(194，196Pt)，主要是通過r過程產(chǎn)生。中子俘獲過程的角色03核天體物理及其前沿研究CHAPTERs-過程面臨測量極豐中子奇特核的物理性質(zhì)和確定極端條件天體場所的挑戰(zhàn)，相關(guān)研究被列為21世紀重大物理科學(xué)問題之一。r-過程研究r-過程研究涉及大量極豐中子同位素，性質(zhì)決定r-過程元素豐度，目前無法實驗研究，只好借助理論模型提供外推結(jié)果?？拷路€(wěn)定線，基于實驗測量的穩(wěn)定同位素中子俘獲反應(yīng)截面，AGB星模型已較好地描述s-過程的同位素豐度。鐵到鈾的重元素是如何產(chǎn)生的r-過程研究所需極端條件的天體場所尚未確定，目前雖提出多種模型，但均未被廣泛接受，最可能為中子星并合或核心塌縮超新星模型。鐵到鈾的重元素是如何產(chǎn)生的GW170817事件為r-過程研究提供絕佳機遇，紅外光譜被解釋為r-過程產(chǎn)生鑭系元素的間接證據(jù)，但尚無法直接證明r-過程在中子星并合中發(fā)生。r-過程研究展望未來幾十年將見證核物理實驗、天文觀測等領(lǐng)域的飛躍，新一代放射性核素裝置將提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，核理論將建立自洽模型。鐵到鈾的重元素是如何產(chǎn)生的r-過程研究展望多信使觀測將帶來更豐富的爆發(fā)性核合成信息，但系統(tǒng)誤差難以驗證，精確測量成為核天體物理的世紀性難題。核天體物理進展大型光學(xué)望遠鏡巡天計劃展示銀河系化學(xué)演化歷史，超級計算機模擬r-過程環(huán)境中的核合成與化學(xué)演化，并和觀測數(shù)據(jù)比對。核天體物理進展大型中微子探測器測量超新星中微子能譜，校驗輸運過程，基于以上進展，我們有望確定r-過程發(fā)生場所，并解決宇宙重元素起源問題。天體核反應(yīng)測量推進關(guān)鍵天體核反應(yīng)的直接測量，對準確了解恒星演化規(guī)律、獲得基準數(shù)據(jù)、約束理論計算和發(fā)展極端條件下核理論具有十分重要的意義。01.核天體物理深地實驗關(guān)鍵天體反應(yīng)氦燃燒過程中的12C(α,γ)16O反應(yīng)對氖至鐵的中等質(zhì)量同位素合成及(II型)超新星爆發(fā)有決定性影響，但其截面精度要求好于10%，現(xiàn)有測量誤差大。02.C+C熔合反應(yīng)12C+12C熔合反應(yīng)是大質(zhì)量恒星碳燃燒、(Ia型)超新星和超級暴的關(guān)鍵點火反應(yīng)，但截面低、誤差大，理論預(yù)言差異大，導(dǎo)致天體模型無法準確預(yù)言元素豐度。03.錦屏山深地核物理實驗合作組（JUNA）建立了深地核天體物理實驗平臺，巖層覆蓋深度世界居首，宇宙線屏蔽效果比意大利LUNA實驗室高約100倍。深地實驗平臺合作組已完成400kV加速器研制，計劃2020年深地安裝，開展關(guān)鍵天體核反應(yīng)精確測量；并計劃安裝強流碳氧等重離子加速器，研究碳—碳熔合等關(guān)鍵核反應(yīng)。JUNA計劃核天體物理深地實驗04總結(jié)與展望CHAPTER多信使天文觀測多信使天文觀測涉及四大基本相互作用，需實驗研究關(guān)鍵核反應(yīng)等，以提供基準數(shù)據(jù)。元素起源元素起源是核天體物理的核心目標(biāo)，涉及天文觀測、天體物理模型及核物理理論和實驗研究。多信使天文學(xué)時代技術(shù)進步推動天文觀測進入多信使時代，利用多種探測技術(shù)觀測宇宙，已取得突破性成果?？偨Y(jié)與展望美國JINA等研究中心成功結(jié)合天文、模型、核合成研究，運用最新數(shù)據(jù)和觀測結(jié)果，開展宇宙元素演化及中子星性質(zhì)研究。天文、核物理合作我國核天體物理研究群體依托大科學(xué)裝置和國際合作，在多方面取得創(chuàng)新性研究成果。核天體物理研究為解決重元素起源等難題，需建立核天體物理聯(lián)合研究中心，加強多學(xué)科交叉合作，充分發(fā)揮現(xiàn)有裝置潛力。聯(lián)合研究中心總結(jié)與展望總結(jié)與展望