模型和观测揭示了宇宙中核裂变的第一个迹象

元素周期表中铁以上的元素被认为是在两颗中子星合并等灾难性爆炸或罕见的超新星中产生的。新的研究表明，在重元素的产生过程中，宇宙中可能会发生裂变。通过梳理非常古老恒星中的各种元素的数据，研究人员发现了裂变的潜在特征，表明自然界可能会产生超出元素周期表中最重元素的超重原子核。

“人们认为宇宙中正在发生裂变，但迄今为止，没有人能够证明这一点，”洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家、《科学》杂志上介绍这项研究的一篇论文的合著者马修·芒鲍尔说。

Mumpower 表示，利用最新的观察结果，研究人员发现了银等轻质精密金属与铕等稀土原子核之间存在相关性。当其中一组元素上升时，另一组中相应的元素也会增加——相关性为正。

“极其深刻”的裂变证据

“不同恒星之间出现这种情况的唯一可能的方式是，在重元素的形成过程中是否存在一致的过程，”穆鲍尔说。团队测试了所有的可能性，裂变是唯一能够重现这一趋势的解释。

“这是极其深刻的，是宇宙中裂变发生的第一个证据，证实了我们几年前提出的理论，”穆鲍尔说。“随着我们获得更多的观察结果，宇宙在说，嘿，这里有一个签名，它只能来自裂变。”

研究还表明，原子质量(质子加中子数)为 260 的元素(比元素周期表高端的元素更重)可能存在。

Mumpower 开发了用于预测和指导观测结果的裂变模型，该模型由北卡罗来纳州立大学的研究作者 Ian Roederer 领导。

大量研究

天体物理学家长期以来一直认为，铁以外的重元素是在称为超新星的恒星爆炸或两颗中子星合并时形成的。顾名思义，后者主要由中子组成，中子与质子一起形成所有原子的原子核。通过快速中子捕获过程(称为 r 过程)，原子核捕获中子以形成更重的元素。半个世纪以来，是否有一些元素变得太重而无法结合在一起并分裂或裂变，形成两个较轻但仍然较重的元素原子(并释放出巨大的能量)，这仍然是一个谜。

在 2020 年的一篇论文中，Mumpower 首先预测了 r 过程核裂变碎片的分布。TRIUMF 的合作者 Nicole Vassh 领导的后续研究预测了轻质精密金属和稀土原子核的联合生产。这种钌、铑、钯和银等元素以及铕、钆、镝和钬等元素的共同生产可以通过将预测与恒星集合中的元素丰度进行比较来测试。

Roederer 领导的新分析梳理了 42 颗恒星的观测数据，准确地发现了预测的相关性。该图案提供了产生这些元素的裂变的清晰特征，以及元素周期表上稍重和稍高的元素的类似图案。

“在我们有足够数据的 r 过程增强恒星中，这种相关性非常强。每当大自然产生一个银原子时，它也会按比例产生更重的稀土原子核。这些元素组的组成是一致的，”Mumpower 说。“我们已经证明，只有一种机制可以对此负责——裂变——自 20 世纪 50 年代以来，人们一直在为此绞尽脑汁。”

从库存管理到明星

“在洛斯阿拉莫斯，我们开发了核裂变模型，因为作为实验室任务的一部分，我们无法测量与武器研究相关的所有内容，”Mumpower 说。这些模型允许物理学家解释实验并在缺乏测量时填充数据。自1992年停止核武器试验以来，裂变实验数据一直有限。

与测量数据相比，这些模型表现得非常好，因此在没有测量数据的情况下，它们的推断更加可信。Mumpower 表示，研究重元素形成需要短寿命和长寿命物种的核输入。裂变产率是将相对较重的原子分裂成较轻的原子的过程的产物，这与核武器和反应堆中使用的过程相同。