热核爆炸威力有多大？能结束一颗恒星的生命

一项天体物理学研究指出，有些恒星会以一场爆炸的形式结束生命，而氖元素也许在其中发挥了至关重要的作用。

天文学家很喜欢研究恒星的生命周期，包括不同恒星的死亡方式。像太阳这样质量较小的恒星会不断膨胀，最终抛却外层物质、转变为矮星；大型恒星则会以超新星爆发的形式发生剧烈爆炸，内核会变成黑洞或中子星。

但对于质量介于太阳7到11倍之间的中等质量恒星，仍有许多疑问没有解决。它们是会抛离外层、还是会爆炸呢？如果它们最终会发生超新星爆发，那么最终产物又是什么？要想弄清这些问题，一定程度上将取决于我们对氖的理解程度有多深。

在死亡过程中，中等质量的恒星会逐渐耗尽氢和氦。计算机模拟显示，它们会形成由氧、氖和镁几种元素构成的内核。这些恒星可能会失去部分氢外层，变成黯淡的白矮星；但如果内核变得足够大的话，也可能会坍缩成为中子星。

但这些恒星内核非常古怪，因为向内挤压的引力产生的压力可以与支配电子行为的量子力学规则相抵消。两个电子的量子性质不可能完全相同，因此限制了它们之间能达到的最小距离，从而对内核施加一种“简并压力”（ degeneracy pressure）。而氖原子捕获电子的速率对该进程发挥着至关重要的作用。这一过程会释放出能量，“点燃”恒星中的氧，导致爆炸。但能量释放的时间、以及后续爆炸发生的时间不同，恒星的命运也会有所不同。

由加拿大达尔豪斯大学的奥利弗·科尔斯伯姆（Oliver Kirsebom）近期主导编写的一篇论文研究了氖捕获电子的逆向过程，即氟原子失去一个电子、变成氖的过程。为此，他们在芬兰的JYFL加速器实验室中，用一束氟原子束轰击了一张碳膜。通过分析氟衰变成氖的概率，研究人员反向推算出了在由氧、氖和镁元素构成的内核中、氖原子捕获一个电子的频率。而他们的计算结果比此前的观测结果高得多，因此能够点燃氧气时所需的内核密度更低，最终会导致一场热核爆炸，使恒星变为一颗白矮星、而非中子星。

“这是一种非常罕见的核跃迁，经常被人忽视。”科尔斯伯姆指出，“在特定条件下，它会对恒星的演变产生重大影响。”

北加州大学物理系的卡拉·弗罗里希评论道，该团队的测算结果是“精密核天体物理领域的一座里程碑”。她指出，数十年来，科学家一直想对这种“禁戒跃迁”进行测量。禁戒跃迁现象在地球上非常罕见，但在恒星内核的极端环境中也许要常见得多。

在由斯德哥尔摩大学博士后研究员Shuai Zha带领、发表在《天体物理学期刊》上的另一项研究中，科学家建立了一颗质量为太阳8.4倍的恒星的死亡过程模型。电子捕获过程释放的能量点燃了氧气，进而烧尽了内核中的其它金属、并产生了一道爆炸波。该论文发现，恒星的最终命运取决于电子的数量和临界密度。密度一旦超过该临界值，恒星内核就会坍缩成中子星；而如果在临界值以下，内核则会发生热核爆炸、分崩离析。

据研究人员推测，该恒星内核的密度高于临界值，因此他们认为，是氖元素促成了内核坍缩为中子星。不过该团队的研究要早于科尔斯伯姆。他们计划在即将发表的一篇论文中对两支团队的研究结果进行比较。

科尔斯伯姆解释道，关于这些恒星，仍有许多疑点尚待讨论，比如恒星内核中的对流、以及物质传输热量的方式等等。在这些过程中，其它复杂艰深的核变化过程也许也发挥了一定作用。

“关于这些恒星的最终命运，目前的确有很多互相矛盾的观点。对恒星中的对流等问题……我们也的确需要展开进一步了解。”科尔斯伯姆指出。他希望，更先进的加速器实验室可以帮助科学家研究更不稳定的罕见粒子和同位素。此外，天文学研究也许会发现含有更多重元素的白矮星，它们可能是由氧、氖、镁构成的内核爆炸后的残余物。