陨石超新星考古学

石话怎讲

   

陨石超新星考古学   

作者：天眼大开

超新星在产生宇宙中的重元素方面扮演着重要角色。

大爆炸只产生了氢、氦以及少量的锂。红巨星阶段的核聚变产生了各种中等质量元素（重于碳但轻于铁）。而重于铁的元素几乎都是在超新星爆炸时合成的，它们以很高的速度被抛向星际空间。此外，超新星还是星系化学演化的主要“代言人”。在早期星系演化中，超新星起了重要的反馈作用。星系物质丢失以及恒星形成等可能与超新星密切相关.
超新星处于许多不同天文学研究分支的交汇处。超新星作为许多种恒星生命的最后归宿，可用于检验当前的恒星演化理论。在爆炸瞬间以及在爆炸后观测到的现象涉及各种物理机制，例如中微子和引力波发射、燃烧传播及爆炸核合成、放射性衰变及激波同星周物质的作用等。而爆炸的遗迹如中子星或黑洞、膨胀气体云起到加热星际介质的作用。
目前，对全人类而言，超新星残块陨石的获得已经变得异乎重要和迫却。



背景知识--
  超新星处于许多不同天文学研究分支的交汇处。超新星作为许多种恒星生命的最后归宿，可用于检验当前的恒星演化理论。在爆炸瞬间以及在爆炸后观测到的现象涉及各种物理机制，例如中微子和引力波发射、燃烧传播及爆炸核合成、放射性衰变及激波同星周物质的作用等。而爆炸的遗迹如中子星或黑洞、膨胀气体云起到加热星际介质的作用。
　　超新星在产生宇宙中的重元素方面扮演着重要角色。大爆炸只产生了氢、氦以及少量的锂。红巨星阶段的核聚变产生了各种中等质量元素（重于碳但轻于铁）。而重于铁的元素几乎都是在超新星爆炸时合成的，它们以很高的速度被抛向星际空间。此外，超新星还是星系化学演化的主要“代言人”。在早期星系演化中，超新星起了重要的反馈作用。星系物质丢失以及恒星形成等可能与超新星密切相关。----<<百度百科》
早期宇宙是能量最高的高能实验室。早期宇宙是地球永远也达不到的高能实验室，爱因斯坦一生追求的基本相互作用的统一理论可能只有在宇宙早期才能得到检验和应用，宇宙到处是等离子体，太阳是最近的恒星，它内部的高温是核聚变最好的实验室，地球上只有到20实际中叶才实现核聚变，而太阳上核聚变在50亿年前就已经存在，太阳上的黑子、耀斑都是地球上难以复制的等离子现象。宇宙中所提供的超高密度、超稀薄真空、超强磁场、超低温都是极端条件下的物理试验室。
　　宇宙是极端条件物理试验室。超高密度，10的15次方，超稀薄真空，超强磁场、超低温、超高压、超高温。宇宙还是丰富的光谱实验室、等离子实验室、核反应实验室。

围绕大爆炸宇宙学的建立，首先是哈勃星系退行的发现，宇宙膨胀，然后是宇宙微波背景辐射发现，大爆炸遗迹，宇宙原始化学丰度的贯彻，大爆炸核合成，宇宙微波背景辐射功率谱的观测，平坦宇宙的证据，宇宙微波背景辐射的小扰动，宇宙结构形成的种子的发现，星系讯转区县的贯彻，暗物质的发现，高红移超新星光变的观测，宇宙加速膨胀的发展，星系红移大量的时间是观测大气结构。
摘自--2009国际天文年纪念大会，陈建生院士主题演讲

大约280万年前的一次恒星爆炸将尘埃散落到地球上，这可能触发了一次气候变迁并影响了人类进化历程。这一新结论的证据来自一种特殊形式的铁，它被超新星播洒在宇宙中，最后沉降在太平洋底的岩石里。
德国慕尼黑大学的物理学家Gunther Korschinek领导的研究小组，于1999年在地球上首次发现了超新星物质的沉积。但从当时提取的样本中无法准确判断超新星爆发的时间，因为超新星物质散布在几层不同的岩石里。
该小组最近分析了另一块海底岩石，发现其中的超新星物质集中在一个很清楚的岩层里，可以准确推定其日期。研究人员在岩石里发现了一些铁60同位素，该同位素只能在超新星里形成。
Korschinek说：“我们分析了各种可能，找不到任何其它过程可以产生这样数量的（铁60）。”小组在新一期的《物理评论通讯》上报告了其成果。
伊利诺伊大学的天体物理学家Brian Fields说，这项成果是一个里程碑，标志着一个全新研究领域的诞生，即“超新星考古学”。
彗星和陨星也会给地球带来宇宙物质，但它们通常来自太阳系内部。超新星是我们所知唯一的太阳系外物质来源。
超新星喷发出的铁60到达地球后，平均分布于各个地方，但仅能在历经数百万年未被干扰过的地壳岩石中被检测到，比如太平洋底的某些区域。
科学家分析的这些特殊岩石于1980年取自夏威夷群岛东南几百公里处的海底，采集它们的海洋学家当时是希望从中寻找稀有矿物。
Korschinek估计，这次超新星爆发的时间为280万年前（前后误差30万年），距离地球100至200光年。如果爆发离地球太近，辐射将足以造成地球上的物种大灭绝。而如果太远，就不会有这么多铁60到达地球，它们大部分会在中途损失。
据估计，这颗超新星与地球的距离“适中”，释放的宇宙射线能增加地球上空的云量。Korschinek计算说，在至少10万年的时间里，到达地球的宇宙线增加了15%，这不会直接杀死生物，但足以改变地球气候。
云量增加使地面更凉爽，从而将更多的水以冰的形式束缚在极地，导致非洲更加干旱。岩芯的气候记录与这次超新星事件在时间上吻合。
Korschinek说：“有的人相信，非洲的这种气候变化，是人类进化的一个动力。”干燥的气候迫使人类向湿润地区迁徙。
研究小组正在样本里寻找其它异常同位素，这可能会透露那次超新星爆发的更多信息，比如它是什么类型的超新星。但这些物质的含量可能只是铁60的1/10000，寻找它们将是极其困难的。
-摘自<<维基百科》


元素的超新星核合成：
由于超新星爆炸释放出极大数量的能量，也产生了比恒星所能产生更高的温度。如此的高温营造出的环境使原子量高达254的元素也能形成，锎是已知最重的元素，但在地球上只能由人工合成。在核融合的过程中，恒星核合成所能融合产生的最重元素是镍，同位素的原子量可以达到是56。只有质量最大的那些恒星能制造出原子序在硅和镍之间的元素，并以超新星爆炸结束恒星的一生（参见硅燃烧）。被称为s-过程的中子捕获过程，也发生在恒星核合成的阶段，所能产生的最重的同位素是原子量209的铋，但是S-过程主要是在低质量恒星内以很慢的速度进行。
氖燃烧过程是大质量恒星（至少8MSun）内进行的核融合反应，因为氖燃烧需要高温和高密度（大约1.2×109 K和4×109千克/米3）
在如此的高温下，光致蜕变成为很重要的作用，有一些氖核会分解，释放出α粒子：
20Ne + γ → 16O + 4He
这些α粒子可以被回收产生镁-24
20Ne + 4He → 24Mg + γ
或者，二选一的
20Ne + n → 21Ne + γ
21Ne + 4He → 24Mg + n
此处，在第一阶段消耗的中子，在第二阶段又再重生了。
碳燃烧过程会将核心所有的碳几乎都耗尽，产生氧/氖/镁的核心。核心冷却会造成重力的再压缩，使密度增加和温度上升达到氖燃烧的燃点。
当氖燃烧时，氖会被耗尽使核心只有氧和镁堆积著。在氖被耗尽的数年之后，核心逐步降温、已趋于平静，接着重力将再度挤压核心，使密度和温度上升直到氧融合被启动。

核融合序列和α过程
小质量的红矮星（质量不超过0.3倍太阳质量）在耗尽氢燃料后仅能产生氦,但其核心收缩产生的温度不足以点燃氦燃烧。如果恒星有着中等的质量（大于0.3倍但小于8倍太阳质量），将能进行氦燃烧而产生碳。当它们核心的氦被耗尽时，这些恒星就结束了其主要生命历程，在核心留下了碳核。更大质量的恒星（大于8至11倍太阳质量）能因为质量造成非常高的重力位能而燃烧碳。在大质量的压缩下，核心的温度可已高达6亿K，而碳燃烧能产生的新化学元素如下：
碳–12 → 氧–16，氖–20，和镁–24
化学元素以它们在核心中所拥有的质子来定义，在上面所列出的元素中，词尾附加的数字表示不同的同位素（中子数目不同的化学元素）的摩尔质量。
大质量恒星在燃烧完碳元素之后，它会收缩来获得更高的温度，开始如下所示的氧、氖和镁的燃烧：
氧–16、氖–20、和镁–24 → 硅–28和硫–32（历经6个月长的过程）
当大质量恒星的核心只剩下硅和硫元素之后，他将继续收缩直到核心的温度高达27至35亿K；硅的燃烧点温度。硅燃烧继承了α作用，以加入与一个氦核（两个质子和两个中子）相等的质量来创造新元素。每个步骤的程序如下：
硅燃烧
硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 → 镍–56


超新星核合成是阐明新的化学元素如何在超新星内产生，主要发生在易于爆炸的氧燃烧和硅燃烧的爆炸过程产生的核合成。[1]这些融合反应创造的元素有硅、硫、氯、氩、钾、钙、钪、钛和铁峰顶元素：钒、铬、锰、铁、钴、镍。由于这些元素在每次的超新星爆炸中被抛出来，因此在星际介质中的丰度越来越大。重元素（比镍重的）主要是由所谓的r-过程捕获中子创造出来的。然而，还有其他的过程对某些元素的核合成有所贡献，像是著名的捕获质子的Rp-过程和导致光致蜕变过程的γ过程或p-过程。重元素中最轻的，中子最少的同位素，都是由后者的程序产生的。


行星状星云是天体的一种，为低质量恒星（质量介于0.1至1个太阳质量）死亡时的一种状态，外围有由等离子构成的发光气体外壳，中心则为裸露的核心（白矮星）。它们实际上与行星毫无关联，只是因为通过光学望远镜，看起来像木星等巨型气体行星般有一定的视面积（而不是点状），因而得名。与恒星上亿年的生命相比，行星状星云是短暂的现象，现象只能维持数万年。在银河系中已经发现的行星状星云约有1,500个。
在天文学中，行星状星云是很重要的天体。这是因为它们在星系的化学演化中扮演着关键的角色，让在恒星内部核聚变产生的丰富重元素（碳、氮、氧和钙）和其他产物能够回复为星际物质。在其他星系中，行星状星云或许是目前唯一能够经由观测，获知元素丰度的有用资料的天体。
近年，哈柏太空望远镜的影像显示出行星状星云有着各种极端复杂的形态，大约有五分之一是近乎球形的，但大多数都呈非球形对称的形状。要了解导致这些不同特征的机制并不容易，但是双星、恒星风、和磁场可能扮演着特定角色。
S-过程，或称为慢中子捕获过程，是发生在相对来说中子密度较低和温度中等条件下的恒星进行核合成过程。在这样的条件下，原子的核心进行中子捕获的速率相较之下就低于β负衰变。稳定的同位素捕获中子；但是放射性同位素在另一次中子捕获前就先衰变成为稳定的子核，这样经由β稳定的过程，使同位素沿着同位素列表的槽线移动。S-过程大约创造了另一半比铁重的元素，因此在星系化学演化中扮演着很重要的角色。
在星际尘埃中测量S-过程
星际尘埃是宇宙尘的一种成分。在成为太阳系内被找到的陨石之前，这些单独的固体颗粒是来自早已死亡的恒星，并被保存了下来。对这些颗粒的测量，在实验室内显示这些颗粒内的元素有着异常的同位素丰度，结果给予天体物理学新的认知。[6] 硅碳化物的颗粒在AGB 恒星的大气中凝聚，而成为这些恒星会拥有这些同位素。因为AGB恒星是银河系内进行S-过程的主要场所，因此重元素的硅碳化物颗粒实际上纯粹是S-过程产生的同位素。这个事实经由溅射离子质谱仪对前太阳系颗粒的研究被一再的展示。[6] 有些溅射的结果显示S-过程和R-过程的丰度比率和早先假设的有些不同，它也显示了氪和氙在恒星大气层的丰度会因S-过程而随时间改变，或是因恒星而异，推测可能是中子浓度的累积通量或是温度的影响。这是现今对S-过程研究的新领域。
质子-质子链反应是恒星内部将氢融合成氦的几种核聚变反应中的一种，另一种主要的反应是碳氮氧循环。质子-质子链反应在太阳或更小的恒星上占有主导的地位。
克服两个氢原子核之间的静电斥力需要很大的能量，并且即使在太阳高温的核心中，平均也还需要109年才能完成。由于反应是如此的缓慢，因此太阳迄今仍能闪耀着，如果反应稍为快速些，太阳早就已经耗尽燃料了。
通常，质子-质子熔合反应只有在温度（即动能）高到足以克服它们相互之间的库仑斥力时才能进行。质子-质子反应是太阳和其它恒星燃烧产生能量来源的理论，是在1920年代由亚瑟·史坦利·艾丁顿主张和提出基本原则的。当时，太阳的温度被认为太低，以至于不足以克服库仑障壁。直到量子力学发展之后，发现质子可以经由波函数的隧道，穿过排斥障碍而在比传统预测为低的温度下进行聚变反应。
碳氮氧循环（碳 -氮-氧），有时也称为贝斯-魏茨泽克-循环，是恒星将氢转换成氦的两种过程之一，另一种过程是质子-质子链反应。
在质量像太阳或更小些的恒星中，质子-质子链反应是产生能量的主要过程，太阳只有1.7%的4氦核是经由碳氮氧循环的过程产生的，但是理论上的模型显示更重的恒星是以碳氮氧循环为产生能量的主要来源。碳氮氧循环的过程是由Carl von Weizs&#228;cker[1]和汉斯·贝特 [2]在1938年和1939年各别独立提出的。
碳氮氧循环的反应如下[3]：

12C + 1H
→
13N + γ
+1.95 MeV
13N
→
13C + e+ + νe
+2.22 MeV
13C + 1H
→
14N + γ
+7.54 MeV
14N + 1H
→
15O + γ
+7.35 MeV
15O
→
15N + e+ + νe
+2.75 MeV
15N + 1H
→
12C + 4He
+4.96 MeV

这个循环的净效应是4个质子成为一个α粒子、2个正电子（和电子湮灭，以γ射线的形式释放出能量）和2个携带着部分能量逃逸出恒星的微中子。碳、氮、和氧核在循环中担任催化剂并且再生。
有一个较小分支的反应，在太阳核心中发生的只占了0.04%的量，最后的产物不是12碳和4氦，而是16氧和一个光子，取代进行的过程如下：

15N + 1H
→
16O + γ
+12.13 MeV
16O + 1H
→
17F + γ
+0.60 MeV
17F
→
17O +e+ + νe
+2.76 MeV
17O + 1H
→
14N + 4He
+1.19 MeV

同样的，碳、氮、和氧在主要的分支，而在较小分支上的氟也仅仅是稳定状态的催化剂，不会在恒星内累积。
碳氮氧循环的主要分支称为碳氮氧-I，小的分支称为碳氮氧-II，在更重的恒星内还有碳氮氧-III和碳氮氧-IV两个次要的主分支，它们开始于碳氮氧-II反应的最后阶段，结果是以18氧和γ射线取代原本的14氮和氦核：

17O + 1H
→
18F
18F
→
18O +e+ + νe + γ

此处，所有参与反应的"催化剂"（碳、氮、氧的核）数量都是守恒的，而在恒星演化中核的相对比例是会改变的。无论最初的结构是如何，当这个循环在平衡状态下，12碳/13碳核的比例是3.5，而14氮成为数量最多的核。在恒星的演化中，对流会将碳氮氧循环的产物从恒星的内部带到表面并混合，改变观测到的恒星成分。在红巨星，相较于主序星，能观测到少量的12碳/13碳和12碳/14氮，这些都可以证明核融合在恒星内部进行能量的世代交替。
稳定岛理论是核子物理中的一个理论推测，核物理学家推测具有“魔数”数目的质子和中子的原子核的化学元素特别稳定。假如这个猜测正确的话，那么特定的超铀元素的同位素比其它同位素要稳定，这些同位素的放射性衰变过程可能非常慢。
稳定岛理论最初是格伦·西奥多·西博格提出的。他认为原子核中的核子与原子核外的电子一样是分布在不同的“壳”中的，实际上每个壳就是一组相近的量子能级。不同壳之间的能量的差别则比较大。假如一个原子核中的质子和中子正好填满了一个壳的话，那么每个核子之间的结合能就最小，因此这个核就最稳定，这个核比其附近核子没有填满或超出一个壳的同位素要稳定。
饱和的壳的中子和质子数被称为“魔数”（也称为“幻数”）。一个可能的中子魔数是184，可能的质子魔数是114、120和126，也就是说，uuq-298、ubn-304和ubh-310可能比较稳定。这些同位素至今为止未能被合成。但uuq的带有114个质子和少于184个中子的同位素比元素周期表中邻近的元素的同位素的衰变要慢得多。
稳定岛理论非常可能依然是放射性元素，它们相对于其附近的同位素“比较稳定”，虽然有人怀疑有些同位素的半衰期可能大于一日或甚至更长，但很可能它们的半衰期依然小于一秒。
超重核是指一些拥有很多质子和中子的假想原子核。超重核随着原子核质量的增加，库仑力不断增大，对于α衰变和自发裂变的不稳定性也增加，因而原子核寿命越来越短，直至不能鉴定的程度。但是在1965年原子核理论预言，当一个原子核的质子数和中子数为Z=114、NB=184时，原子核会特别的稳定，预估这种原子核的寿命为1019年。因此代表超重核是存在的。目前核物理学家利用重离子加速器，通过重离子核反应合成超重核，但到目前为止，都还没成功。

北京老葱

      这篇贴子的内容专业性较强，研究成果和理论读起来较艰涩，但我还是建议我们能认真的学习一下。我学习了几遍，体会如下：
      1.上述科研成果，是世界多少代天文科学家，主要通过对陨石的研究而得来的。我们苦苦追寻的陨石，太神圣和神密了。
      2.我们不应轻意质疑和否定现代天文学和陨石学。这些学说的成立，是由众多科研成果而建设的。《陨石谱》的内容就是现代陨石学的根基。做为陨石收藏爱好者，要有"谱内是陨石、谱外是赝品"的坚定理念，否则你不是一个真正的追星人。
      3.天文学家的主要工作是研究太空的形成和地球的起源。他们帮助星友们鉴定陨石，仅是小小副业。我们不应因不能及时、方便的鉴定手中的疑似物，而对科研单位产生怨言。要相互理解、信任。

白雪香梅

不管能否理解，只能多读几遍。

qgs

非常感谢元老分享知识贴！值得先收藏后学习！您辛苦了！