作者：沈雯 《原理》編輯

理論上，當兩顆中子星相撞時， 會產生比地球上最重的元素還要重的超重元素。 不過，這些超重元素非常不穩定， 他們會迅速通過裂變分解， 產生較輕的元素。 但一直以來，沒有人能夠證明宇宙中確實會發生這樣的裂變。 直到2023年12月7日， 在一項發表于《科學》雜志的研究中， 研究人員表示他們首次找到了 比鈾更重的元素發生裂變的證據。 要理解這是怎么回事，就讓我們從元素的起源開始說起。

元素周期表，大家都非常熟悉，它所包含的元素其實并不是一直都存在的。實際上，元素起源的故事要回到138億年前的大爆炸。在大爆炸后的約15分鐘， 宇宙中才產生了第一批的化學元素： 氫、氦和少量的鋰。 這三個元素也是元素周期表中的前三個元素，除了這三種元素外，早期宇宙中沒有任何其他更重的元素了。

隨著時間的推移，在大爆炸約一億年后， 宇宙中形成了第一批恒星。 在那之后，恒星便成為了元素的制造廠。在恒星的核心， 核聚變會使氫變成氦。 只要有足夠的燃料， 聚變就會一直發生下去。 但正如生命一樣，恒星也會死亡。在恒星的演化末期，隨著燃料的耗盡，它們會以越來越快的速度制造重元素。在一段時間內， 恒星內的氦會轉化為碳和氧。 之后，氧會聚變成硅、磷和硫。 在恒星漫長生命的最后階段， 它會產生像鐵這樣的金屬。一旦恒星開始產生鐵，就再也沒有任何事物可以阻止引力的無情摧毀。在不到一秒種的時間里，恒星會在自身的引力下坍縮，然后爆炸成超新星，向宇宙中噴射出新生成的元素。

宇宙中最重的那些元素，都是由所謂的r過程，也就是快中子捕獲過程創造出來的。 在這個過程中，原子核會迅速地吸收中子， 然后經歷放射性衰變，從而產生新的元素， 比如鉑、金、鈾等重元素。

圖：當兩顆中子星相互并合時，中子和原子核（比如鐵核）會飛濺出來，一堆中子會在很短的時間內（通常不到一秒）聚集在原子核上，然后原子核中的中子會衰變，從而形成重元素（比如金）。

R過程需要大量的能量和大量的中子才能實現，所以，它常發生在富含中子的環境中，比如雙中子星并合。那些質量是太陽好幾倍的恒星，在死亡時，核心就會坍縮成中子星。幾年前，天文學家已經在一起重大的雙中子星并合事件中，證實了它會產生大量的重元素。

盡管科學家對于r過程的工作原理已經有了大致的了解， 但對于產生比鈾更重的元素的r過程仍就知之甚少。 而且由于r過程的發生條件非常極端， 因此也無法在實驗室中展開研究。

所以，在新的研究中，為了能更好地理解r過程， 研究人員對銀河系中的42顆非常古老的恒星中的各種元素數據， 進行重新梳理和檢查。 這些恒星都包含了r過程元素。

通過對這些恒星中發現的每種重元素的數量進行更廣泛的觀察，他們發現，在這些恒星中，元素釕、銠、鈀、銀的豐度與一組較重的元素存在相關性，當其中一組元素增加時，另一組中相應的元素也會呈正相關性增加。

在不同的恒星中出現這種現象的唯一合理解釋是，在重元素的形成過程中，存在一個統一的過程。研究人員在測試了所有的可能性后，認為裂變是唯一能夠重現這一趨勢的解釋。裂變基本上與聚變相反。它是指重元素分裂產生較輕元素時釋放能量的過程。

新的研究結果表明，一些r過程事件可以產生比鈾重的元素， 然后它們會衰變成在恒星中觀測到的元素。 換句話說， 位于元素周期表中段的一些元素，比如銀和銠，很可能是一些重元素裂變的殘余。更令人驚訝的是，研究人員發現，R過程可以產生裂變前原子質量數至少為260的元素，其原子核中的中子數遠遠超過質子。

這項研究不僅提供了宇宙中存在裂變的第一個證據，也大大加深了我們對元素形成的理解。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者名稱：沈雯

審核：張雙南 中國科學院高能物理研究所 研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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