太阳系的⁷⁴Se来源于超新星爆发过程

近日，中国原子能科学研究院核物理研究所开展的关于核心塌缩型超新星的中微子过程对太阳系p-过程核⁷⁴Se丰度影响的研究取得突破，为探索太阳系⁷⁴Se来源做出了重要贡献。该研究成果被国际知名期刊美国天体物理学杂志《The Astrophysical Journal》（《天体物理学报》）接收发表。

宇宙中重元素的起源一直是核天体物理中极为重要的科学问题之一，被美国《发现》杂志列为当代物理学的11个未解之谜。大多数比铁重的核素都可以通过快中子俘获过程(r-过程)或慢中子俘获过程(s-过程)来产生。但是，有35个丰质子核（p-核）却不能通过上述中子俘获过程产生。科学家们推测，这些p-核可能产生于不同的天体物理场所，由快质子俘获、光核反应或者中微子过程产生。对于最轻的p-过程核⁷⁴Se来说，无论是模型计算还是实验测量都无法合理地解释其在太阳系中的丰度。

核心塌缩型超新星爆发是大质量恒星走向死亡的谢幕仪式，在这个过程中可以产生极其强大的中微子冲击波。高通量的中微子在向外喷发时会与恒星外层物质发生反应，并因而改变外层物质的元素丰度。通过中微子核反应⁷⁴Ge(ν_e, e^-)⁷⁴As产生的⁷⁴As有34%的概率衰变到⁷⁴Se，可能是解释太阳系⁷⁴Se来源的一条途径。

图1. 美国《发现》杂志列出的11个重大的物理学未解之谜。

2020年10月以来，在李志宏研究员的指导下，来自内蒙古民族大学的联合培养硕士研究生宋娜开始研究核心塌缩型超新星的中微子过程对⁷⁴Se丰度的影响。他们分别利用理论和实验得到的跃迁强度计算了中微子核反应⁷⁴Ge(ν_e, e^-)⁷⁴As的反应截面，并结合核心塌缩型超新星的爆发机制，进一步计算出中微子核反应贡献的⁷⁴Se仅占太阳系⁷⁴Se的36%。 为了解释所有⁷⁴Se的来源，他们发现中微子冲击波产生的高温也能触发光核反应，并形成大量质子。这些质子会诱发⁷⁴Ge(p, n)⁷⁴As 反应，同样能对⁷⁴Se的丰度产生影响。进一步的计算表明，如果质子密度高于7×10^-2 g cm^-3，在温度低于2.65 GK 时，能够通过⁷⁴Ge(p, n)⁷⁴As反应产生足够多的⁷⁴As，完全可以弥补仅考虑中微子核反应的不足。因此，研究结果认为：太阳系中的⁷⁴Se可能来源于超新星爆发过程中的⁷⁴Ge(ν_e, e^-)⁷⁴As和⁷⁴Ge(p, n)⁷⁴As反应。

本项工作得到了国家基金委重大项目和财政部稳定支持等项目的资助。

图2. 超新星爆发时产生的中微子冲击波与外层物质作用示意图

论文链接地址： https://doi.org/10.3847/1538-4357/aca328