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来自恒星的放射性同位素

2021-12-10 14:11     来源:趣播讯息事     放射性同位素伽马射线

天文学和地球科学研究中心的高级研究员 Maria Lugaro 和 Marco Pignatari 研究了恒星的放射性同位素,从太阳系材料的考古学到现代超新星。

2019 年 8 月,在南极雪中发现了大量放射性同位素 60Fe(Koll 等人,2019 年)。60Fe 的半衰期为 260 万年,因此观察到的 60Fe 是“最近”制造的,与第一个人类祖先出现在非洲的同时,甚至可能更晚。为了制造 60Fe,需要发生两个连续的中子俘获核反应,从 Fe 稳定同位素 58Fe 开始。

这是一个难题:这些核反应只能发生在处于高级演化阶段的恒星中,例如在超新星中。因此,南极雪中的 60Fe 是最近在一些恒星中产生的,然后被喷射出来,进入星际介质,进入太阳系,最后进入地球大气层。60Fe 只是恒星中产生的众多放射性同位素之一,可以直接观察到它们的特征,提供有关其母恒星或发现它们的环境的基本信息。

可观察到的放射性同位素可分为三大类。40K 和 238U 等长寿命放射性同位素的半衰期约为 10 亿年或更长。半衰期在 1-1 亿年左右的放射性同位素,如 60Fe 和 26Al,被称为短寿命放射性同位素 (SLRs)。最后,还有半衰期远低于一百万年的放射性同位素,但也可以在恒星物体中观察到。在最后一组中,最著名的案例是 56Ni 和 44Ti(分别以 6 天和 60 年的半衰期衰减至 56Co 和 44Sc),它们在为超新星的光变曲线提供动力方面也起着至关重要的作用(Seitenzahl 等人,2017 年)。 2014)。

早期太阳系的遗迹

由于对陨石包裹体的分析,有可能确定存在于太阳系早期的 SLR 组的许多放射性核素的遗迹(Lugaro 等人,2018 年)。在其他轻同位素中,已确定存在已灭绝的放射性同位素 26Al、36Cl 和 41Ca。比铁重的同位素有60Fe、146Sm和205Pb。这些同位素具有数百万年的半衰期,带有太阳形成时在恒星中活跃的核合成过程的特征。这些可能是相同的超新星,它们产生稳定的原子核并推动星际介质的富集,和/或太阳诞生的恒星形成区域内附近的局部恒星源。

在 Konkoly 天文台,ERC 资助了一个名为 RADIOSTAR 的为期五年的项目,以研究这些来自形成太阳系的古老考古遗迹的起源(ERC CoG-2016 RADIOSTAR,Grant Agreement 724560)。一个由五名博士后研究人员、三名博士生和两名大学生组成的团队一直在模拟恒星内部的核反应和银河系的演化。到目前为止,他们已经发现太阳应该与许多其他恒星一起在一个巨大的恒星形成区域形成。

用放射性同位素研究“现在”恒星和恒星核合成的窗口

当放射性同位素衰变时,它们会发出特定能量的光子,以光速穿过太空,可以从望远镜中检测到。半衰期为 717000 年,1.8MeV 的高能光子是 26Al 衰变到稳定同位素 26Mg 基态的独特特征,可以通过伽马射线望远镜探测和测量。由于与银河系的整个历史相比,26Al 的半衰期极短,因此对星际介质中 26Al 分布的观察可以用来追踪它最近由恒星产生的产物。继 70 年代后期 HEAO-C 卫星首次探测到 26Al 之后,新一代伽马射线卫星,如 COMPTEL(1991-2000)和 INTEGRAL(自 2002 年开始活跃,

2019 年,200 多名科学家提交了一份白皮书,为新的 MeV 伽马射线任务提供理由,以观察来自太空的放射性同位素特征,重点介绍了来自这些观察的新的潜在发现(Timmes 等人,2019 年)。

安德鲁斯等人。(2020) 分析了哪些放射性同位素可以提供来自超新星爆炸最深喷射物的信息,并且可能从超新星遗迹中的下一代伽马射线天文台探测到。其中,43K、47Ca、44Sc、47Sc 和 59Fe 放射性同位素被提议作为超新星爆炸能量的探测器。理论与观察之间的一致性是这一研究领域的基本驱动力。

来自超新星遗迹的放射性同位素可以在不同波长下被检测到,而不仅仅是在伽马射线窗口中。例如,来自 X 射线天文台卫星 NuSTAR 的 44Ti 衰变观测使我们能够绘制超新星遗迹 CasA 中的同位素分布图(Grefenstette 等人,2014 年)。44Ti 的半衰期“只有”60 年,但是大约 300 年前,来自垂死大质量恒星的超新星形式的 CasA 爆炸的第一道光到达地球,因此 44Ti 的特征今天仍然可见。

总之,研究和揭示恒星中放射性核素产生及其观测的基本方面所需的多学科方法需要在不同层面进行公开透明的合作,因为所有工作都不能由一个科学家或研究所孤立地完成。承认天文学、核天体物理学和宇宙化学领域的这些需求对于加快研究进展和推动新发现至关重要。

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