铬元素实验43小时破解宇宙射线之谜

参考消息网报道 据西班牙《趣味》月刊网站6月15日报道，实验室中首次产生的铬-52射束，使科学家能够重构那些以接近光速穿梭于银河系中的元素是如何发生转变的。

一支科学家团队证实，一项关于铬-52的独特实验首次成功测量了数个关键核反应，这些反应对于理解宇宙射线的起源以及我们银河系的化学演化至关重要。这项实验在全世界极为先进的科研设施之一中持续进行了43小时，有望消除现代天体物理学中的一些较大的不确定性。

这些结果将有助于更精确地解读由那些旨在研究恒星垂死时产生的粒子的太空任务所收集的数据。这个问题既古老又引人入胜：填满银河系的元素究竟来自何处，它们在穿越宇宙的旅途中又经历了怎样的变化。

数十年来，科学家一直观测到宇宙射线以接近光速的速度抵达地球，但追溯其起源却困难重重。由美国马里兰大学巴尔的摩县分校核物理学家普里亚尔希妮·高希领导的一项实验或许能让我们更接近最终答案。

当一颗大质量恒星耗尽燃料并作为超新星爆发时，会向太空中释放出大量原子核。这些碎片在穿越银河系的数百万年旅程中，构成了我们所知的宇宙射线。

问题在于，这些原子核并不会保持完整。在穿越星际空间的过程中，它们不断与星际介质中散布的氢原子发生碰撞，通过一种被称为质子散裂反应的过程，碎裂成更轻的元素。

这意味着，空间观测站探测到的元素并不总是与恒星最初喷射出的元素一致。这便构成了巨大的科学挑战：如何区分观测到的信号中，哪些部分源自原始物质，哪些又是数百万年碰撞作用的结果。

为解决这一问题，研究团队利用了美国密歇根州立大学稀有同位素束流装置（FRIB）的强大实验设备。他们的目标极其明确：首次测量铬-52的质子散裂截面。这种铬元素的同位素对于追踪星系化学过程具有特殊意义。

这看似只是个技术细节，实则不然。如果没有这些数据，就无法将空间仪器观测到的结果准确转化为关于星系元素形成过程的可靠叙述。而且有一个细节甚至让专家感到惊讶：迄今为止，尚无人成功完成过这项测量。

该实验的难度不仅在于物理层面。据高希解释，一块约巧克力棒大小的铬-52富集样本的成本接近15万美元，直接使用这种材料将极其昂贵。

解决方案是借助一项真正的核工程壮举。研究人员通过镍-58射束与碳靶的碰撞，人工制备了铬-52。随后他们创造了一束特性与真实宇宙射线相似的原子核流。该过程分为三个基本阶段。

首先，粒子加速器产生了铬-52射束。随后，一个液态氢靶再现了这些原子核穿越星系时所处的环境。最后，密歇根州立大学的S800光谱仪记录下了碰撞过程中产生的碎片。在连续43小时内，探测器收集了这些碰撞产生的50至60种不同同位素的相关数据。

这些数据中的每一项都是科学家们试图拼凑出的巨大拼图中的一块。但获取数据仅仅是开始，然后同样复杂的分析工作才刚刚开始。研究人员估计需要大约一年时间来处理所获得的所有信息，并将其转化为最终的科学结论。

宇宙射线绝不仅仅是漫游在太空中的高能粒子。实际上，它们如同来自宇宙遥远区域的信使。通过分析这些射线，科学家能够重构恒星形成、超新星爆发，甚至数百万年前发生的各种过程。

然而，要正确解读这些信息，就必须精确了解元素在旅途中是如何发生转变的。这正是这项新实验具有非凡意义之处。研究所获得的数据将用于改进描述银河系化学演化的模型，从而更精确地区分哪些元素是在恒星中产生的，哪些是后来因宇宙相互作用而产生的。

这项研究是美国国家航空航天局（NASA）戈达德太空研究所与马里兰大学巴尔的摩县分校联合推动的一个新兴项目的一部分，该项目专门致力于研究质子诱导的核反应。

多年来，该领域一直不如核物理的其他领域受到重视。然而，研究人员现在认为，这些反应对于正确解读空间观测结果至关重要，而且其应用范围可能远不止于本星系。

这些实验所得的数据还可用于研究行星及其他天体的表面组成，这些天体长期遭受宇宙射线的持续轰击。另一个特别重要的方面是，这些研究结果将直接应用于分析高能宇宙射线的组成等科学任务。

这些测量结果的每次改进都让我们更接近于理解构成当今恒星、行星和生物的元素是如何分布的。从某种意义上说，科学家正在破译塑造我们自身存在的化学配方。

正如稀有同位素束流装置的磁谱仪运行负责人豪尔赫·佩雷拉所指出，全球很少有设施能够以受控的方式再现如此非凡的现象：一颗垂死恒星喷射出的粒子穿越整个星系的旅程。

这是一幅极具震撼力的画面。当我们仰望夜空时，数十亿个粒子仍在星际空间中悄然穿行。其中一些甚至在人类出现之前就已踏上旅程。如今借助实验室中产生的铬离子束，科学家正开始重构这段旅程的完整历史。因为要理解宇宙，有时只需观察一个原子的裂变过程就够了。（编译/刘丽菲）