恒星中的核合成是宇宙中化學(xué)元素產(chǎn)生的關(guān)鍵，涵蓋了從主序星階段的氫核聚變到超新星爆炸中重元素的合成。天文學(xué)家能夠解讀星光中的宇宙密碼，因?yàn)楣庾V展示了特征性的吸收線和發(fā)射線，每一條線都是隱藏在恒星大氣中某特定元素的獨(dú)特指紋。通過對這些光譜特征及其強(qiáng)度的仔細(xì)分析，天文學(xué)家能夠推測出遙遠(yuǎn)恒星大氣中的元素組成。

然而多年來，天文學(xué)家在某些恒星觀測中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際測量到的重元素含量與理論預(yù)測之間存在日益增大的差異。這些恒星中的重元素似乎遠(yuǎn)超預(yù)期，這一現(xiàn)象對我們對恒星演化以及其內(nèi)部復(fù)雜的核合成過程的理解提出了挑戰(zhàn)。最近，天文學(xué)家遇到了一個(gè)新的宇宙謎題：在某些恒星中檢測到的鈰元素的含量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有模型的預(yù)測。

通常認(rèn)為，宇宙中的一些較重元素是在恒星核心內(nèi)通過中子俘獲過程形成的。在被稱為慢中子俘獲（S過程）的過程中，這種吸收隨時(shí)間緩慢進(jìn)行，原子核逐步演變成穩(wěn)定或不穩(wěn)定的構(gòu)型。它可能產(chǎn)生一個(gè)多出一個(gè)中子的穩(wěn)定原子核，也可能形成一個(gè)不穩(wěn)定的原子核，該不穩(wěn)定原子核隨后通過放射性衰變轉(zhuǎn)化為下一個(gè)元素。

根據(jù)這一過程，天文學(xué)家成功預(yù)測了許多重元素的豐度，例如含有56個(gè)質(zhì)子的鋇。但當(dāng)涉及到含有58個(gè)質(zhì)子的鈰時(shí)，他們的模型就出現(xiàn)了問題。這種難以捉摸的元素超出了預(yù)期，出現(xiàn)在一些低質(zhì)量、低金屬豐度的球狀星團(tuán)恒星中，其含量比預(yù)測高出 30%。這種差異令研究人員感到困惑，因?yàn)樗麄兊哪Ｐ腿狈θ魏慰杀鎰e的原因來解釋這一異常。最近在CERN進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)更是進(jìn)一步加劇了這種差異，使理論預(yù)測與觀察到的現(xiàn)實(shí)之間的差距進(jìn)一步擴(kuò)大了20%。

宇宙中的大部分鈰主要以鈰-140的形式存在，這是一種含有58個(gè)質(zhì)子和82個(gè)中子的同位素。在核物理學(xué)中，82是一個(gè)“幻數(shù)”，代表能夠形成穩(wěn)定原子核的特定數(shù)量的質(zhì)子或中子。然而，這種穩(wěn)定性背后的機(jī)制仍不完全清楚，可能涉及核結(jié)構(gòu)、核間的結(jié)合力，以及量子力學(xué)效應(yīng)。

核殼模型是描述原子核結(jié)構(gòu)的一個(gè)框架，尤其是質(zhì)子和中子在原子核內(nèi)的排列。在此模型中，核子占據(jù)原子核內(nèi)的離散能級或殼層，類似于電子在原子中的電子殼層。在該模型中，幻數(shù)來自核子完全填充核殼層，就像電子完全填充殼層時(shí)特別穩(wěn)定。

對于質(zhì)子和中子來說，最廣泛認(rèn)可的幻數(shù)是2、8、20、28、50、82和126。當(dāng)原子核中的質(zhì)子或中子數(shù)量與這些幻數(shù)之一相匹配時(shí)，原子核通常會顯示出特別穩(wěn)定的構(gòu)型。同時(shí)具有質(zhì)子和中子幻數(shù)的原子核被稱為“雙幻數(shù)核”，它們顯示出額外的穩(wěn)定性。

幻數(shù)相關(guān)的穩(wěn)定性源于核殼層的閉合，當(dāng)殼層完全充滿核子時(shí)，它會導(dǎo)致核處于較低的能量狀態(tài)，使其更加穩(wěn)定。此外，額外的穩(wěn)定性可歸因于多種因素，例如核子與核子之間相互作用的減少以及核子之間的配對效應(yīng)的增強(qiáng)。

盡管如此，核殼模型也有其局限性。首先是幻數(shù)問題，核殼模型預(yù)測雖然預(yù)測幻數(shù)的存在，但它不是絕對的，也不能解釋所有核特性。有些同位素盡管沒具有幻數(shù)的質(zhì)子或中子，但仍表現(xiàn)出穩(wěn)定性，反之亦然。

第二個(gè)是核力問題，核殼模型沒有提供底層核力的詳細(xì)描述。雖然它解釋了核子之間的相互作用對核結(jié)構(gòu)的影響，但它不能完全解釋這些相互作用的起源和性質(zhì)。了解核力的精確性質(zhì)對于全面了解核結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

第三是復(fù)雜核的問題，核殼模型成功地描述了具有閉殼構(gòu)型的核，但是許多核更加復(fù)雜，具有開殼構(gòu)型，涉及跨能級的核子激發(fā)，在核殼模型框架內(nèi)描述這些復(fù)雜核的結(jié)構(gòu)有挑戰(zhàn)性。

第四個(gè)問題是核性質(zhì)的可變性問題，雖然核殼模型預(yù)測核性質(zhì)的某些趨勢，例如結(jié)合能和核自旋，但這些性質(zhì)在核與核之間可能存在顯著的變化。核變形、集體運(yùn)動和量子隧道效應(yīng)等因素可能導(dǎo)致偏離核殼模型的預(yù)測

第五個(gè)問題是計(jì)算復(fù)雜度，使用殼模型計(jì)算核性質(zhì)的可能需要大量計(jì)算，特別是對于具有許多核子的較重原子核。為了使計(jì)算可行，通常需要近似和簡化，但這可能會限制預(yù)測的準(zhǔn)確性，特別是對于遠(yuǎn)離穩(wěn)定的原子核。

在CERN最近的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們用高能中子束轟擊氧化鈰樣品，觀察到鈰-140隨后轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的鈰-141。隨后，鈰-141的衰變發(fā)射出伽馬射線，然后檢對伽馬射線進(jìn)行檢測和分析，以確定鈰-140的中子俘獲截面。來源: www.ws46.com

由于實(shí)驗(yàn)精度的提高，結(jié)果揭示了中子俘獲截面比之前記錄的高約40%。中子俘獲截面高意味著鈰-140更容易捕獲中子變成別的同位素，這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致對鈰豐度的新預(yù)測低于現(xiàn)有理論模型的預(yù)測。然而，某些恒星中鈰豐度的觀測結(jié)果，顯示出比現(xiàn)有理論模型預(yù)測的更高的豐度。

新實(shí)驗(yàn)的預(yù)測和觀測之間差異進(jìn)一步擴(kuò)大，這暗示了恒星內(nèi)鈰生產(chǎn)中發(fā)揮作用的其他機(jī)制。雖然CERN 的新見解揭示了鈰-140 的核特性，但它也強(qiáng)調(diào)了更新核合成模型并進(jìn)一步研究恒星環(huán)境中驅(qū)動鈰合成過程的必要性。此外，這項(xiàng)研究還揭示了我們對恒星形成重元素的理解上的差距，以及我們對核動力學(xué)的理解上的差距。