最近，物理學(xué)家重現(xiàn)了宇宙大爆炸的核反應(yīng)，證實(shí)了宇宙大爆炸模型
- 意大利地下核天體物理實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們?cè)谝粋€(gè)氘靶上發(fā)射了一束質(zhì)子(粉色)并測(cè)量了聚變速率。
在意大利一座隱蔽的實(shí)驗(yàn)室里，物理學(xué)家們重現(xiàn)了宇宙大爆炸兩到三分鐘后發(fā)生的核反應(yīng)。他們對(duì)反應(yīng)速率的測(cè)量結(jié)果發(fā)表在昨天的《自然》雜志上，確定了被稱為大爆炸核聚變的一系列步驟中最不確定的因素（大爆炸核聚變產(chǎn)生了宇宙中第一顆原子核）。據(jù)英國杜倫大學(xué)天體物理學(xué)家萊恩·庫克說，研究人員對(duì)這個(gè)結(jié)果“欣喜若狂”?！皶?huì)有很多人對(duì)粒子物理、核物理、宇宙學(xué)和天文學(xué)感興趣，”他說。反應(yīng)涉及到氘，這是一種氫的同位素，由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成，在宇宙最初的三分鐘內(nèi)聚變而成。大部分的氘迅速聚變成更重、更穩(wěn)定的元素，比如氦和鋰。但有一些“活到了今天”。伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的天體物理學(xué)家布萊恩菲爾茲說，“我們的體內(nèi)有幾克氘，它們來自大爆炸。”剩下的氘的精確數(shù)量揭示了最初幾分鐘的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，包括質(zhì)子和中子的密度，以及它們?cè)谟钪媾蛎浿腥绾窝杆俜蛛x。意大利國家核物理研究所的核天體物理學(xué)家卡洛·古斯塔維諾說，氘是“那個(gè)時(shí)代的一個(gè)特殊的超級(jí)見證”。但物理學(xué)家只有知道氘與質(zhì)子聚變形成同位素氦-3的速率，才能推斷出這些信息。地下核天體物理實(shí)驗(yàn)室（LUNA）合作所進(jìn)行的新測(cè)量已經(jīng)確定了這一速率。宇宙中最早的探測(cè)器
氘的產(chǎn)生是大爆炸核聚變的第一步，當(dāng)宇宙還是由質(zhì)子和中子組成的超級(jí)熱但快速冷卻的“湯”時(shí)，發(fā)生了一系列核反應(yīng)。從20世紀(jì)40年代開始，核物理學(xué)家發(fā)展了一系列連鎖方程式，描述了氫、氦和鋰的各種同位素如何組合成原子核，如何聚變并吸收質(zhì)子和中子（較重的元素是很久以后才在恒星內(nèi)部形成的）。從那以后，研究人員在實(shí)驗(yàn)室里通過復(fù)制原始核反應(yīng)測(cè)試了這些方程式的大部分方面。在此過程中，他們?nèi)〉昧酥卮蟀l(fā)現(xiàn)。這些計(jì)算在20世紀(jì)70年代首次提供了暗物質(zhì)存在的一些證據(jù)。大爆炸核聚變也使物理學(xué)家能夠預(yù)測(cè)不同類型的中微子的數(shù)量，這有助于推動(dòng)宇宙膨脹。但近十年來，關(guān)于氘是否有可能吸收質(zhì)子并轉(zhuǎn)化為氦-3的不確定性，使宇宙最初幾分鐘的景象變得模糊不清。最重要的是，這種不確定性使物理學(xué)家無法將這幅圖景與大爆炸38萬年后宇宙的樣子進(jìn)行比較。大爆炸38萬年后，宇宙冷卻到足以讓電子開始繞原子核運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過程釋放出被稱為宇宙微波背景的輻射，提供了當(dāng)時(shí)宇宙的“快照”。宇宙學(xué)家希望根據(jù)他們的宇宙演化模型，檢查宇宙的密度是否像預(yù)期的那樣從一個(gè)周期變化到另一個(gè)周期。如果兩幅圖不一致，“理解這一點(diǎn)將是非常非常重要的，”庫克說。對(duì)于頑固的宇宙問題（比如暗物質(zhì)的本質(zhì)）的解決方案，可以在這個(gè)缺口中找到，也可以在外來新粒子的第一個(gè)跡象中找到?！霸诖蟊ê蟮囊粌煞昼姷酱蟊ê蟮膸资f年之間，可能會(huì)發(fā)生很多事情，”庫克說。最重要的氘的反應(yīng)速率可以讓研究人員做這樣的比較，但測(cè)量氘的反應(yīng)速率是非常困難的。因?yàn)檫@是在實(shí)驗(yàn)室里以可控的方式模擬大爆炸！物理學(xué)家上一次嘗試測(cè)量是在1997年。從那時(shí)起，對(duì)宇宙微波背景的觀測(cè)變得越來越精確，這給研究大爆炸核聚變的物理學(xué)家們帶來了壓力。2014年，庫克和合著者通過對(duì)遙遠(yuǎn)氣體云的觀測(cè)，精確地測(cè)量了宇宙中氘的豐度。但是，要將這種豐度轉(zhuǎn)化為對(duì)原始物質(zhì)密度的精確預(yù)測(cè)，他們需要對(duì)氘的反應(yīng)速率進(jìn)行更好地測(cè)量。2016年發(fā)布的一份純理論估計(jì)與1997年的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果不一致，這進(jìn)一步增加了研究難度。“這是一個(gè)非?；靵y的情況，”古斯塔維諾說，他是LUNA合作組織的成員?！霸谶@一點(diǎn)上，我對(duì)合作變得更加積極了……因?yàn)楸R娜能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出這種反應(yīng)?！?/section>一種罕見的組合
測(cè)量氘與質(zhì)子聚變的難易程度的部分挑戰(zhàn)在于，在實(shí)驗(yàn)室條件下，這種反應(yīng)并不經(jīng)常發(fā)生。每一秒鐘，LUNA實(shí)驗(yàn)就會(huì)向一個(gè)氘目標(biāo)發(fā)射100萬億個(gè)質(zhì)子。一天只有幾次會(huì)產(chǎn)生聚變。更困難的是，不斷降落在地球表面的宇宙射線可以模擬氘反應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)?！坝捎谶@個(gè)原因，我們?cè)谝粋€(gè)地下實(shí)驗(yàn)室里，由于巖石的覆蓋，我們可以從'避免宇宙射線的干擾’中獲益，”弗朗西斯卡·卡瓦納說。她和桑德拉·扎瓦塔雷利一起領(lǐng)導(dǎo)了LUNA的數(shù)據(jù)收集和分析工作。在三年多的時(shí)間里，科學(xué)家們?cè)谝獯罄笏_索山深處的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里輪班工作，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一周。“這很令人興奮，因?yàn)槟阏娴母械阶约褐蒙碛诳茖W(xué)之中，”卡瓦納說。隨著他們數(shù)據(jù)的收集越來越多，來自更廣泛的物理界的壓力也越來越大?！坝泻芏嗥诖挥泻芏嗥谕?，”他們說。事實(shí)證明，該團(tuán)隊(duì)的最新發(fā)布的測(cè)量結(jié)果可能會(huì)令尋找宇宙模型的“裂縫”的宇宙學(xué)家感到失望。一小步
所測(cè)得的速率（即在原始核聚變時(shí)期溫度范圍內(nèi)氘與質(zhì)子聚變形成氦-3的速度）落在了2016年的理論預(yù)測(cè)和1997年的測(cè)量之間。更重要的是，當(dāng)物理學(xué)家將這個(gè)速率輸入到大爆炸核聚變方程式中時(shí)，他們預(yù)測(cè)的原始物質(zhì)密度和宇宙膨脹速率與38萬年后宇宙微波背景的觀測(cè)結(jié)果非常吻合。“它本質(zhì)上告訴我們，到目前為止，宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型是完全正確的，”阿利奧塔說。這本身就縮小了下一代宇宙模型必須適應(yīng)的差距。專家說，結(jié)果甚至可以排除某些暗物質(zhì)理論。這比支持奇異的新宇宙成分的證據(jù)更令人興奮。但阿利奧塔說，在這個(gè)精密天文學(xué)的時(shí)代，這是科學(xué)家們的“一小步”。菲爾茲表示同意，“我們一直在努力在預(yù)測(cè)、測(cè)量和觀察方面做得更好?！?/section>即將到來的是下一代宇宙微波背景測(cè)量技術(shù)。與此同時(shí)，隨著人們對(duì)氘的行為有了更好地了解，其他原始核反應(yīng)和元素豐度的不確定性變得更加緊迫。根據(jù)菲爾德的說法，一個(gè)長(zhǎng)期存在的“宇宙大爆炸核聚變效應(yīng)”是，根據(jù)氘和宇宙微波背景計(jì)算出的物質(zhì)密度預(yù)測(cè)，宇宙中鋰的含量應(yīng)該比我們實(shí)際觀察到的要多三倍。仍然有很多未知因素，未來會(huì)發(fā)生什么將會(huì)非常有趣。
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