碳 12 是生命的重要组成部分,科学家们终于弄清楚了它是怎样在恒星中形成的

艺术家对红巨星的印象。 它们的核心是产生碳 12 的大锅。 图片来源:NASA/Walt Feimer

正如 Max Ehrmann 的名诗《Desiderata》中所说,我们每个人都是宇宙的孩子。 它隐喻地讲述了我们在宇宙中的位置,但事实证明这是一个非常真实的事实。 我们的身体包含恒星和星系的物质,这使我们成为宇宙的孩子。 更准确地说,我们是碳基生命形式。 地球上的所有生命都基于碳 12 元素。 事实证明,这些东西是通往生活的关键门户。 那么,宇宙是怎样想出足够多的东西来制造你和我以及我们星球上的所有生命的呢? 天体物理学家和核物理学家认为,他们可以通过使用超级计算机模拟产生碳的过程找到答案。 事实证明,这并不容易。

碳 12 的配方需要高压锅和大量原材料。 恒星内部或恒星碰撞或爆炸期间的环境提供了压力锅。 里面的成分是氦 4 原子和理论上禁止的称为铍 8 (8Be) 的原子核。 将它们放在一起,最终得到碳 12。 听起来很简单,对吧?

嗯,不完全是。 没有办法在实验室中复制这个配方来测试它并证明这个过程。 那是因为你需要只存在于恒星内部的温度和压力。 为了理解为什么我们不能重现碳的诞生,这里有一个天体物理学家认为正在发生的复杂过程的简单概述。


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潜入星辰

恒星的核心参与了一个叫做 核合成. 这是“烹饪新元素”的花哨术语。 因此,在其生命的大部分时间里,恒星都是一个巨大的氢球体。 在内部,它融合氢原子形成氦原子的条件恰到好处。 更进一步,将两个氦核融合在一起,你就得到了 8Be。 但是有一个问题:铍同位素不应该存在。 所以,我们陷入了僵局。 如果不能制造这些东西,你就不会得到碳,生命可能就不会存在。 解决方案是什么? 不是基于硅的生命形式(正如我们在科幻小说中经常听到的那样),或者,我们仍然不存在。 (至少不是我们目前的形式。)

到达 Carbon-12

所以,碳很重要。 它无处不在。 碳是仅次于氢、氦和氧的第四丰富元素。 大爆炸创造了氢和氦。 恒星制造氧气和碳。 红巨星等较老的恒星是碳的巨大生产者,它们无处不在。 所以,很明显,它发生了。 怎样? 事实证明,恒星内部的事情是快速而激烈的。 “被禁止”的 8Be 实际上可以存在,即使只是短暂的片刻。 但是,它会在几纳秒内衰减。

生成碳 12 的三重阿尔法过程的图形视图。
生成碳 12 的三重阿尔法过程的图形视图。 图片来源:鲍勃, CC BY-SA 3.0.

因此,没有太多时间来制造碳 12。 但是,它发生了,否则我们不会在这里谈论它。 就是这样。 有一个化学反应涉及三个被称为“α粒子”的氦核和非常短命的 8Be。 如果恒星内部的条件正好,阿尔法粒子和 8Be 可以融合在一起。 这构成了碳 12 生产的基础。 这是“三重阿尔法”过程,发生在这些内部极热(如 108 K 以上)的老恒星内部。

模拟碳 12 的形成

我们无法从一颗古老的红巨星内部看里面发生了什么。 我们也不能向恒星碰撞发送探测器。 没有航天器可以通过恒星爆炸来见证这些事件中的元素创造。 那么,我们怎么知道这个过程是解释碳 12 产生的正确过程呢? 就像天体物理学中经常出现的情况一样,研究人员转向计算机模型。 爱荷华州立大学和东京大学的科学家们创建了一个复杂的超级计算机模型,用于说明 α 粒子(氦 4 原子)和 8Be 原子核怎样结合形成更重的原子。 在他们的模型中,这种反应产生了一种不稳定的、激发的碳 12 状态,称为霍伊尔状态。 (以 1953 年预言这种状态的天体物理学家 Fred Hoyle 命名。)

首先,研究人员对负责在恒星内部产生碳 12 的环境和过程进行了稳健的模拟。 然后,他们在日本神户 RIKEN 计算科学中心的 Fugaku 超级计算机上运行它。 该团队还开发了计算人工智能的新技术,该技术将揭示霍伊尔状态中的阿尔法聚类与碳 12 的产生有关。

爱荷华州立大学的詹姆斯瓦里说:“那里有很多微妙之处——许多美丽的互动正在发生。” 他是该研究论文的第一作者。 研究小组指出,α粒子聚集“是一个非常美丽和迷人的想法,并且确实是合理的,因为(α)粒子在结合能很大的情况下特别稳定。”

未来追求的想法

既然模拟似乎回答了碳 12 生产的基本问题,Vary 就提出了其他问题。 “碳的产生主要是恒星内部过程的结果吗?” 他问。 或者,它也可能发生在超新星爆炸中? 它会发生在中子星的碰撞中吗? 最近的研究表明,这种合并创造了黄金和铂金。 那么,出现碳 12 的条件是否成熟?

在研究人员完全了解碳 12 过程之前,还有许多细节需要解决。 但是,了解核合成的作用是首要目标。 “他在极端环境中的核合成产生了很多东西,”瓦里说,“包括碳。”

了解更多信息

基于统计学习和霍伊尔状态特征的第一原理在原子核中的 α 聚类 (本故事的研究论文),自然通讯,2022 年 4 月 27 日。

更多关于来自今日宇宙播客的核合成

关于生命最关键同位素的起源 (来自 Phys.org)。

研究人员揭示了碳 12 的起源故事,碳 12 是生命的基石