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元素合成的B2FH理论 精选

已有 4588 次阅读 2022-8-27 23:20 |系统分类:科普集锦

上文说到霍伊尔为了证明伽莫夫的始于“大爆炸”的创世理论是错误的,他和瓦格纳一起编制了一套大爆炸核合成的计算程序,并给出了较为详尽的结果,见图1。从图中可以看出:从宇宙形成后约100秒开始,温度在20亿度时,中子和质子开始形成氘、氦-3和氦-4。到2000秒左右,温度下降到3亿度时,核合成基本完成。主要的反应产物氢,约占丰度的75%。其次是氦-4,约占总核数的25%。其余的为氘、氚、氦-3和数量更少的7Be,7Li和6Li,不到总数的1%。其中,7Be和3H,中子将依次衰变为7Li,3He和质子。随着时间的延续,宇宙的温度降低很快,核反应就会停下来,元素的数目保持不变。霍伊尔因此得出结论:大爆炸核合成理论仅能产生氢、氦和少量的锂元素,尽管结果与观测值相符很好,但它距离创世需要的近100种元素还差得很远,伽莫夫的宇宙创生理论是错误的!

图1. 大爆炸核合成产生的元素丰度

作为知名的科学家,霍伊尔并不是为了驳倒、批臭伽莫夫的大爆炸核合成理论,而是要找到真正的创世理论。为了达到这一目的,霍伊尔把目光放到了恒星内部,当然也遇到了很多困难。

首先,他把汉斯贝特的研究太阳能成果借用过来,认为恒星中的核合成起源于氢燃烧过程,即pp反应链和CNO循环。恒星核心温度在2千万度以下时,以pp反应链为主;恒星核心温度高于2千万度时,将通过CNO循环进行氢燃烧。氢燃烧的结果是消耗恒星核心的氢燃烧,而产生氦。氢燃烧的时间会持续很长时间,约为恒星寿命的99%。因此,恒星的主要时间会停留在氢燃烧阶段,这一阶段对应于恒星的主序星阶段。

在核心的氢燃烧完毕后,恒星的核心将通过收缩提升温度。当核心温度达到1亿度时,将进行氦燃烧。霍伊尔发现:恒星进行氦燃烧的条件相当苛刻。氦和氦反应生成的8Be是一个寿命很短的核,会在千万亿分之1秒内散架重新变成两个氦。霍伊尔尝试了很多种途径,都没能摆脱最终散架成两个氦核的命运。如果在8Be极短的存活时间内再遇到一个氦,就可以形成碳核,这一过程似乎有点希望。然而,计算结果发现这一三体过程(被称作3α过程)的直接反应截面很小,远远不能产生观测到的碳元素,除非碳-12核内有一个7.7 MeV附近的共振态,依靠这个共振态,霍伊尔获得了与观测相符的碳元素数量。可是,国际上所有的实验都没有在7.7 MeV看到过共振态。

如果有这个7.7MeV附近的共振态(后人叫霍伊尔态),就能通过3α过程生产碳。碳可以再和氦反应生产氧,氧和氦反应生产氖,......。这样就可以生成图2中质量为4的倍数的核素(α核),计算结果能重现这些峰。霍伊尔把这种核合成过程叫做α过程。

图2. 太阳系的元素丰度,红圈标记的是质量数为4的倍数的α核

经过α过程后,恒星核心的温度可以达到30-40亿度。在如此高的温度下,光子和电子的能量都很大。沐浴在高能光子和电子中的原子核将达到一种统计平衡状态,此时最稳定的原子核将获得最大的丰度。由图3可见,铁镍是比结合能最大的原子核,因而会形成Fe,Ni为主的核丰度分布峰。霍伊尔把这一过程叫做e过程。

图3. 原子核的比结合能曲线

产生铁峰之后,核燃烧过程将转而成为吸收能量的过程,此过程将减小核心的温度使核反应终止。为了能产生更重的核素,霍伊尔以铁、镍为种子核,使用中子俘获过程和β衰变的竞争来产生比铁重的元素。这可以分成两种情况,一种是使用现场核反应产生中子,另一种是从中子星获得中子。前一种过程俘获中子的速度比较慢,核反应沿着稳定核所在的路径前进,被称为慢速中子俘获过程(s过程);后一种情况中子数密度较大,原子核迅速俘获大量中子使核反应的路线远离稳定线,沿着丰中子甚至中子滴线附近行进,被称作快速中子俘获过程(r过程)。s过程产生了图2中Sr,Ba,Pb等元素峰,r过程产生的核素峰比s过程的原子量小10左右。

在比铁重的元素中,有些极端缺中子的核素,其元素丰度很少,但s过程和r过程都不能产生。霍伊尔把产生这些核的过程叫做p过程。在极端高温条件下,可以通过快速质子俘获过程,光核反应或者中微子核反应产生p过程核。

还有一些核素,比如锂、铍、硼,位于图2左侧深谷处,由于它们都是弱束缚核,很难在恒星内部产生。霍伊尔通过尝试发现,当宇宙射线中的高能质子和星体大气中的CNO发生散列反应可以产生足量的锂、铍、硼,由于缺少实验数据,计算结果有点不太确定,被称作x过程。

霍伊尔认为,通过以上八个过程可以产生宇宙中所有的核素。因此,自然界中的元素都应该是在恒星的演化过程中产生的。

然而,且慢!碳核真的存在霍伊尔态吗?如果不存在,碳元素就产生不了,上述的核合成理论就不能成立。为了证明这个态的存在,霍伊尔在1956年劝说美国加州理工学院的福勒教授(W. A. Fowler)通过实验寻找这个激发态时说:我笃定这个激发态存在,我是碳基生命,如果没有这个态,也就没有我。事后福勒回忆道,“我很怀疑这个静态宇宙理论学家应该问碳-12核有关的问题。...这个有意思的小个子居然要我们放下手上重要的事,去查那个什么态。我们把他撂在一边。快走人吧,年轻人,别烦我们了。”

霍伊尔不放弃,接着理论说只需要几天的时间针对地查找7.7兆电子伏特的激发态。如果我错了,你只要加几个晚班就能赶上进度。如果我是对的,你就成就了核物理的一个重大发现。福勒觉得霍伊尔说的利害关系在理,马上让他的实验小组去实验。十天后福勒的实验小组发现碳的激发态就在霍伊尔预言的能级上。

研究结果发表在美国现代物理学评论上,文章的作者分别为:M. Burbidge,G. Burbidge,W. Fowler,F. Hoyle,作者的合影见图4,由右向左的顺序与论文作者顺序相同。 为了宣传需要,人们仿照αβγ论文,把这篇文章称为B2FH论文,文章中阐述的元素合成理论被称为B2FH理论。


图4. B2FH在福勒60岁生日聚合上的合影




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