恒星是如何锻造重原子的

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科学家首次用实验重现“中子俘获中程过程”，揭示重元素如金与钡的神秘起源。

恒星之中蕴藏着宇宙最神秘的炼金术。尤其是那些比铁还重的元素——锌、铅、钡，甚至黄金和铂金，它们的起源一直是天体物理学中最难解的谜题之一。而如今，在密歇根东兰辛的一个实验室里，科学家们正用前所未有的实验手段，尝试解开这些重元素的“出生证明”。

密歇根州立大学的稀有同位素束流装置(FRIB)虽然外观不如夜空璀璨，却是世界上最接近恒星内核的地方之一。在这座地下实验室里，科学家们用粒子加速器让原子核以接近光速的速度撞击靶材，模拟出恒星中会发生的极端核反应。碎裂的原子核短暂生成罕见的放射性同位素，这些同位素接着通过一连串反应，最终炼成宇宙中的重元素。

FRIB团队正专注于一种被称为“中程中子俘获过程”(i-process)的反应链，这是一种处于传统“慢速过程”(s-process)和“快速过程”(r-process)之间的路径。几十年来，科学界一直认为重元素的产生只存在这两种方式：前者缓慢发生在垂死的红巨星中，后者则可能源于两个中子星碰撞时瞬间释放的中子风暴。但在本世纪初，观测到的一些金属极度贫乏却富含碳的古老恒星，显示出不符合这两种理论的化学特征。

早在1970年代，John Cowan就提出了i-process的理论设想，但当时缺乏实验证据。直到2010年代，这种“中间路径”的存在才因不断积累的观测数据而逐渐受到重视。现在，FRIB的实验正首次以可控方式重现i-process的细节，试图还原其具体的化学产物和反应条件。



实验的过程像是一场精密的寻宝。研究人员从稳定的钙开始，在加速器中高速轰击铍，使其碎裂成各种不稳定同位素。这些“碎片”通过管道流入一个同位素分离器，最终进入一个形似太阳的SuN探测器。在那里，它们迅速衰变，释放出伽马射线。通过记录这些闪光，科学家能够计算出中子被俘获的概率，并据此模拟i-process会产生哪些重元素。

Artemis Spyrou 是FRIB的核心人物之一。她回忆道，最初只是听到这个反应链的名字，就被深深吸引。“我当时就说，快告诉我哪些同位素最关键。”她和理论物理学家Falk Herwig合作，通过一轮又一轮的实验、模拟、再实验，逐步缩小了重元素生成的可能路径。如今，他们发现的钡、镧和铕的比例，正好吻合早期那些神秘恒星的观测数据。

虽然目前i-process最可能发生在红巨星或白矮星中，具体是哪一种仍需更多证据。Spyrou团队正在计划更深入地测量其他关键同位素的俘获速率，而Herwig则在建构更真实的三维恒星模型，模拟这些天体内部的等离子态运动。

然而，他们的目标远不止于此。下一步，FRIB计划挑战r-process的模拟，也就是孕育黄金、白银和铂金等“珠宝级元素”的反应链。这个过程极其快速、极其剧烈，可能只在中子星碰撞或极端磁暴中发生。Cowan形容r-process实验“几乎不存在”，因为我们很难在地球上重现中子星合并的条件。

但希望仍在燃烧。2017年的一次天文观测中，人类首次在中子星碰撞的残骸中发现了黄金的踪迹。而在今年四月，一次来自磁星的巨大耀斑也可能涉及r-process的发生。

Spyrou相信，在解开i-process的谜题之后，他们有机会将这些方法拓展到r-process。虽然r-process的碎片比i-process更难“拼图”，但她充满信心。“我们现在已经能触碰到i-process的核心了，”她说，“再过五到十年，我们会掌握它的全部秘密。”

想想看，十年前，Spyrou甚至还没听说过这个过程。而现在，她正站在人类理解宇宙起源的最前沿。