氧，从何而来？

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宇宙中几乎一切的氧都是在像太阳如此的大质量恒星内里铸造而成的。随着这些恒星的紧缩和熄灭，它们会在核内心面引发热核反响，碳和氦的原子核可以在那边产生碰撞和聚变。这是一种固然稀有但却必不成少的核反响，产生了宇宙中的大局部氧。

但是，我们很难确定这种产氧反响的速率。麻省理工学院（MIT）的物理学传授Richard Milner说：“物理学家的职责是了解这个天下，但是现在我们并不十分了解宇宙中的氧毕竟来自何方，也不甚清晰氧和碳是怎样构成的。”

假如物理学家对所谓的“辐射俘获反响速率”这个物理量能有充足好的估测，那么一些基本成绩也就可以取得解答，好比宇宙中碳与氧的比例。别的，准确的速率可以协助我们确定爆炸的恒星对否会构成黑洞或中子星。

如今，Milner与他的同事提出了一种能确定这种产氧反响速率的实行计划。这一实行办法必要用到一种“多兆瓦”的线性粒子增速器，这类增速器位于天下的好几个场合，现在仍在建立中。一旦启动并运转起来，这些增速器大概能提供恰到利益的条件，使产氧反响反向举行，就像倒转了恒星构成的时钟。

如此的“逆反响”应该能让研讨职员对实践产生在恒星中的反响速率有一个很好的估测，其准确度可高于此前的研讨后果。Milner说：“假如我们是对的，那么这项丈量将可以协助我们回复核物理中与元素劈头有关的一些紧张成绩。”

急剧下降

辐射俘获反响速率指的是产生在恒星内里的碳-12核与氦核（也被称为α粒子）之间的反响。当这两个原子核产生碰撞时，碳原子核就会“俘获”α粒子，并在这个历程中遭到引发，以光子的情势辐射出能量。从而留下一个氧-16核，终极衰变为一种能以安定性是存在于我们大气中的氧。

但在恒星中，这种反响天然产生的几率十分小，由于α粒子和碳-12原子核都带有正电荷。当它们近距离交往时，库仑力会使它们天然地互相排挤。若要聚变构成氧，这两种粒子必必要以充足高的能量产生碰撞才干克制库仑力的拦阻，而这是一种稀有的征象。云云低的反响速率是不成能在恒星内里的能量水平上被探测到的。

在已往的50多年里，封建家不休试图在高能的粒子增速器中模仿辐射俘获反响速率。为了到达这一目标，他们将氦和碳的粒子束碰撞在一同，渴望氦和碳的原子核能产生聚变，从而产生氧。他们以前做到了对这些反响举行丈量，并盘算出相应的反响速率。但是，在增速器中，粒子产生碰撞时的能量远远高于恒星中的能量，因此招致了依据现在对产氧反响速率的估测很难推断出恒星中实践产生了什么。

逆转时间

在这项新的研讨中，MIT的物理学家们决定重拾先前的一个看法，来制造产氧反响的逆反响。其实质上就是从氧气开头，然后把它的原子核崩溃成它的起始因素：一个α粒子和一个碳-12核。研讨职员推断，逆反响产生的概率应该比正反响更大，因此更容易丈量。并且逆反响大概可以在接近恒星的实践能量范围下举行。

若要将氧崩溃，必要用到一束具有超高电子浓度的高强度电子束。当电子束在撞击一团氧原子云时，电子含量越多，那么在数十亿个电子中存在一个能与某个氧原子产生碰撞，且其能量和动量恰好能招致氧原子崩溃的电子的几率就越大。

这个想法劈头于MIT的另一个研讨员Genya Tsentalovich在2000年的一个实验。厥后，Milner等人以为这是一个值得深化研讨的想法，因此又重拾这一假想。正在德国和康奈尔大学建立的新一代线性增速器就有才能消费充足高强度的电子束，大概说电流，从而有约莫引发逆反响。于是在2016年开头了这项新的研讨。

Milner 说：“这些具多数十毫安电流的新型高强度电子装备的显现，重新唤起了我们对这种（逆反响）假想的兴致。”

他们发起，可以在实行中经过向一团温度低、超冷的氧原子云发射一束电子束来产生逆反响。假如一个电子能告捷地与一个氧原子碰撞并将这个氧原子崩溃，那么它就会以一定的能量散开，这是物理学家在之前就猜测过的。研讨职员将要在给定的能量范围内分散出包含电子的碰撞，并从这些碰撞中分散出后续产生的α粒子。

α粒子是在氧-16原子崩溃时产生的。氧的其他同位素的崩溃也会产生α粒子，但是这些粒子的疏散速率会比氧-16原子崩溃而产生的α粒子快约莫10纳秒。因此，研讨职员推断他们将会分散出那些速率稍慢、“飞行时间略短”的α粒子。

然后，研讨职员就可以盘算出逆反响的速率，由于α粒子崩溃的速率较慢，而氧-16原子崩溃的速率也相对较慢。然后，他们创建了一个模子，将恒星中天然产生的氧的正逆反响接洽起来。

Milner说：“我们实践上做的是逆转时间的反响。假如能以我们所说的准确度来丈量，那么就应该能直接提取出反响速率，这比在任何人在这一范围内所做出的丈量要精准20倍。”

假如正在德国制作的多兆瓦线性增速器MESA的已建成并投入运转，物理学家就可以将他们的实行计划落到实处，经过实行来确定恒星为宇宙消费氧的速率。云云一来，这些丈量将使物理学家解答恒星中构成了几多碳和氧这一成绩，这也是现在我们关于恒星演化的了解中最大的一个不确定性。

原文链接：

http://news.mit.edu/2019/experiment-oxygen-universe-0820

泉源：原理

编纂：Quanta Yuan