宇宙中核素的起源：核合成

宇宙中核素的起源 核合成 徐仁新 北京大学物理学院 北京 摘要 综述了宇宙早期核和恒星合成过程 阐明了宇宙中各种类型核素的起源 关键词 核素 核合成 天体物理学 The origin of nuclide in the universe Nucleosynthesis Xu Renxin School of Physics Peking University Beijing ABSTRACT The nucleosynthesis processes of early universe as well as of stars are reviewed The origin of nuclide in the universe is explained Keywords nuclide nucleosynthesis astrophysics 天体物理学 本质上属物理学科 它具有物理学研究的一般程序 它与一般物理学之 间的主要区别只体现于获取实验事实的途径上 天体物理学有两大职能 首先 它能够让 我们了解人类所处的宇观环境 这有益于建立正确的世界观 另一职能源于它的 物理 角色 检验 改善和发展物理学基本规律 本文将介绍的核素起源研究充分地体现了这两 大职能 既让我们打破核素起源的神秘感 其中所涉及的宇宙或恒星若干物理过程又是难 得的天体 实验室 宇宙中的核素起源于核合成 主要有两个阶段 一 宇宙早期核合成过程 其主要产 物是氢和氦 在天文学上将这两种元素称为轻元素 其它元素称为重元素 二 若干恒星 核合成过程是重元素形成的主要场所 1 宇宙的热力学演化与早期核合成 按目前较普遍接受的信念 既 第一性原理 基本相互作用具有破缺的局域规范对 称性 失称的原因是真空对称性自发破缺 真空从对称态转变为失称态的过程称为真空相 变 相变所释放出的巨大能量 是当今宇宙中物质和辐射的来源 极早期宇宙处于非常高 温状态 温度 T 1028K 1015GeV 存在大量能够导致重子数不守恒反应的重质量正反粒 子对 由于存在 C 和 CP 破缺 并且宇宙处于非热平衡膨胀状态 当 T 降至 1028K 以下时 必将导致宇宙中正物质比反物质略多 1010分之一左右 随着宇宙的膨胀 降温 正反物质 最终湮灭成光子 即目前观测到的微波背景辐射 或中微子 未湮灭的 少量 正物质就 是当今宇宙中的物质 如质子 中子 电子 等 早期宇宙主要由夸克和轻子 光子等组成 在 T 1GeV 时发生强子化过程 形成质子 中子 它们处于 p e n e p e n e 1 的弱作用化学平衡中 中子 质子的数目比为 2 n p exp n m kT n 其中 m mn mp 1 3MeV 当 T 1MeV 时 宇宙年龄 t 1s 弱作用率 宇宙膨胀率 再向 国家自然科学基金 和国家重点基础研究专项基金 G 资助项目 后 p n 间的弱作用平衡 1 破坏 故中子 质子的数目比将冻结于 3 n p 1 exp 1 3 6 n n 核合成的第一步是 p n D 由于高能光子裂变 D 这时还不能合成 D 只有当光子能量小 于 D 的结合能 2 23MeV 时 D 才不会被分裂 有两个因素影响 D 分裂 1 温度 2 重 子与光子数密度之比 实际的分析指出 当温度降至 TD 0 1MeV t 100s 时 才能大量 合成 D 进而通过 D D 3He n D D 3H p 3He D 4He n 很快合成 4He 考虑到 100s 内中子衰变 核合成时的比值要修正为 nn np 1 7 在上述核合成过程中 初原料为 p n 终产物主要为 4He 以及剩余质子 1H 由此可 以得到 4He 的质量占总产物的比 Y 4 np n npnp 2 21 1 4 nn n Y nnnn 这一结果与天文观测比较一致 目前宇宙中约 1 4 为 4He 3 4 为1H 这是宇宙早期核合成 过程理论的成功之处 此外 该理论还能够较好的确定重子与光子数密度之比 和中微子 代数目 N 2 恒星内部的核燃烧过程 由于质量数为 5 或 8 的核素极不稳定 在宇宙早期不能大量合成重元素 目前我们观 测到重元素的合成 往往与若干恒星过程有关 2 1 核燃烧的条件 太阳为什么发光 太阳的基本参数为 质量 2 1033 g M 半径 7 1010 cm R 光度 4 1033 erg s L 若认为发光的能量来源于引力能 Eg G 4 1048 erg 太阳所能维持的发光时标 2 M R 称为 Kelvin Helmholtz 时标 tk Eg 3 107年 然而古生物学家和地质学家发现地球L 已经存在 46 亿 109 年了 远大于 tk 因此引力能不是太阳发光的主要来源 如果认为能量来源于热核反应 太阳的发光时标可达到 1011年 以 41H 4He 2e 2 e 反应为例 忽略中微子带走的能量 每四个氢核要放出 Q 4mp m c2 4 3 10 5 erg 27 MeV 的能量 平均每个氢核释放 Q 4 1 1 10 5 erg 的能量 所以 要维持发光 太阳每 秒有 3 6 1038个氢核发生聚变 因此太阳氢核聚变产能的时标为 mp L M 1011年 恒星内部能够发生核聚变吗 据原子核的比结合能曲线知 轻核聚变或重核裂变都会释 放能量 然而 原子核间存在的 Coulomb 势垒将阻碍轻核的聚变 让我们做一简单估计 质量数为 A 原子核的半径为 rN 1 2A1 3 fm 在距离小于 rN的区域核力才起作用 而大于 rN时以 Coulomb 作用为主 因此核电荷数为 Z1 Z2 质量数为 A1 A2的两个核之间的 Coulomb 势垒的高度为 MeV 5 2 1212 c 1 31 3 N1N212 1 2 Z Z eZ Z V rrAA 然而 两核的热运动动能 kT 8 6 10 11 T MeV 恒星中心温度只有 107K 问题 是 对于典型的具有一个太阳质量的恒 星 其内部能发生显著的热核聚变反应 吗 还以氢燃烧为例 Vc 1MeV kT0 1keV 热能大于 Vc的粒 子所占百分比 exp Vc kT e 1000 5 10 435 每秒太阳内部氢核发生有效碰 撞的次数 Nnv 2 1063 其中总粒子 数 N mp n N 4 3 氢核运动速度 v 2kT0 mp 1 2 碰撞截面 rN2 如果认M 3 R 为只有能量高于 Vc的粒子才能碰撞后聚变 太阳每秒核反应的粒子数目 10 435 似 乎热核燃烧也不能提供太阳发光 实际上 微观粒子是存在波粒二象性的 考虑到氢核的波动性 会发生势垒贯穿效应 研究发现 只要粒子运动动能为 Coulomb 势垒的 倍 即 kT0 Vc 10 4 2 10 4 6 这类核的燃烧过程就能在恒星内部大规模地出现 6 式可以用来定某种核的点火温度 从 这里看到 如果不考虑量子效应 我们甚至不能理会太阳为什么发光 质量越大的恒星核燃烧越充分 质量越大的恒星中心温度越高 所以为核聚变而能够克服 的 Coulomb 势垒 Vc也就越高 核电荷数 Z A 2 由 5 式 Vc A5 3 因此 只有在质量大 的恒星内部才能发生原子序数较高元素的核合成 即 质量越大的恒星核燃烧越充分 2 2 比铁轻元素的核合成过程 氢燃烧 终产物为 4He 主要有两种方式 pp 链和 CNO 循环 太阳内部以 pp 链为主 图 1 核 Coulomb 势垒 图 2 质子 质子 pp 链 氦燃烧 两个 4He 核聚变成的8Be 的原子核极不稳定 若在它衰变之前幸好与另外一个 4He 核融合 就能合成12C 这个过程又称为 3 反应 因燃烧过程时标相对于氢燃烧而言 较短 氢燃烧过程被称为氦闪 更高级核燃烧 质量是太阳质量 8 倍以上的恒星可以依原子序数从小到大而燃烧 直至 Si 燃烧后形成 Fe 一个可能的依次燃烧过程示于下表 表 1 恒星处于不同核燃烧阶段的特征参数 HHeCNOSi 时标 7 106年5 105年600年 1年 6月1天 温度 109K 0 060 230 93 1 72 34 1 释能 90 10 太阳中微子问题 太阳的产能主要是通过 pp 链燃烧氢 它所释放的中微子流量原则上依据 粒子物理中中微子的性质和天体物理中建立的太阳内部结构模型而计算出来 图中画出了 各种能产生中微子的核反应所放出的中微子流量 目前已经有放射性化学方法或电子 中微 子散射方法以不同的阈能测量了太阳中微子流量 所得到的结果都比标准理论预言值低 这就是著名的太阳中微子问题 最近的研究认为该问题用中微子振荡机制解决 这个机制 要求中微子的静质量非零 2 3 比铁重元素的核合成过程 当恒星中心合成铁族元素后 进一步的核聚变是吸热的 这必将破坏恒星的引力平衡 所以 类似于前面介绍的核燃烧方式合成比铁重核素是不可能的 在实际的大质量演化晚 期的恒星内部 在温度上升到铁族元素核聚变之前所发生的电子俘获和光致核裂变等过程 就已经导致中心的塌缩了 不过 由于恒星内部或超新星爆发时存在一定速度运动的质子 和中子 当重核俘获这些质子或中子后还是能够合成比铁重的元素的 中子俘获 通过俘获中子可以合成一些丰中子核 它们的多级衰变产生较稳定的重元素 若 中子流量低 俘获中子的速率比产物的 衰变要慢 人们将这种情况下的中子俘获过程称为 s slow 过程 反之 高中子流量下中子俘获率快于产物 衰变率 称为 r rapid 过程 质子俘获 俘获质子能够合成丰质子核 因质子带电 只有当质子动能足够大时才能进行有 效的核反应 在这种情况下往往质子流量也比较大 注意 氢是宇宙中最丰富的元素 质 子俘获率比产物 衰变率快 故称为 rp 过程 也有称 p proton 过程 关于中子 质子俘获所发生的天体物理环境 目前尚未定论 一般认为在恒星处于氦 燃烧阶段时 反应过程可以释放少量中子 这将导致 s 过程的发生 而高流量的中子 质 子流很可能与某些爆发性的天体物理过程 如超新星爆发 白矮星或中子吸积星表面吸积 一定物质而发生的剧烈核燃烧 等 有关 这些爆发过程也许是 r rp 过程的场所 3 结束