宇宙中核素的起源：核合成 - 北京大学.DOC

宇宙中核素的起源：核合成* 徐仁新 （北京大学物理学院，北京100871） 摘要：综述了宇宙早期核和恒星合成过程，阐明了宇宙中各种类型核素的起源。 关键词：核素；核合成；天体物理学 The origin of nuclide in the universe: Nucleosynthesis Xu Renxin （School of Physics, Peking University, Beijing 100871） ABSTRACT: The nucleosynthesis processes of early universe as well as of stars are reviewed. The origin of nuclide in the universe is explained. Keywords: nuclide; nucleosynthesis; astrophysics “天体物理学”本质上属物理学科，它具有物理学研究的一般程序。它与一般物理学之间的主要区别只体现于获取实验事实的途径上。天体物理学有两大职能。首先，它能够让我们了解人类所处的宇观环境，这有益于建立正确的世界观。另一职能源于它的“物理”角色：检验、改善和发展物理学基本规律。本文将介绍的核素起源研究充分地体现了这两大职能：既让我们打破核素起源的神秘感，其中所涉及的宇宙或恒星若干物理过程又是难得的天体“实验室”。 宇宙中的核素起源于核合成；主要有两个阶段。一、宇宙早期核合成过程，其主要产物是氢和氦；在天文学上将这两种元素称为轻元素，其它元素称为重元素。二、若干恒星核合成过程是重元素形成的主要场所。 1宇宙的热力学演化与早期核合成 按目前较普遍接受的信念（既“第一性原理”），基本相互作用具有破缺的局域规范对称性，失称的原因是真空对称性自发破缺。真空从对称态转变为失称态的过程称为真空相变。相变所释放出的巨大能量，是当今宇宙中物质和辐射的来源。极早期宇宙处于非常高温状态（温度T 1028K ~ 1015GeV），存在大量能够导致重子数不守恒反应的重质量正反粒子对。由于存在C和CP破缺，并且宇宙处于非热平衡膨胀状态，当T降至1028K以下时，必将导致宇宙中正物质比反物质略多1010分之一左右。随着宇宙的膨胀、降温，正反物质最终湮灭成光子（即目前观测到的微波背景辐射）或中微子，未湮灭的“少量”正物质就是当今宇宙中的物质（如质子、中子、电子，等）。 早期宇宙主要由夸克和轻子、光子等组成。在T ( 1GeV时发生强子化过程，形成质子、中子。它们处于 p + e- ( n + (e，p + e ( n + e+， (1) 的弱作用化学平衡中。中子、质子的数目比为 ， (2) 其中(m = mn-mp ~ 1.3MeV。当T~1MeV时（宇宙年龄t~1s），弱作用率~宇宙膨胀率；再向后，p、n间的弱作用平衡(1)破坏。故中子、质子的数目比将冻结于 。 (3) 核合成的第一步是p+n(D。由于高能光子裂变D，这时还不能合成D。只有当光子能量小于D的结合能2.23MeV时，D才不会被分裂。有两个因素影响D分裂：1，温度，2，重子与光子数密度之比(。实际的分析指出，当温度降至TD~0.1MeV（t~100s）时，才能大量合成D，进而通过 D + D ( 3He + n D + D ( 3H + p 3He + D ( 4He + n 很快合成4He。考虑到100s内中子衰变，核合成时的比值要修正为nn/np~1/7。 在上述核合成过程中，初原料为p、n，终产物主要为4He以及剩余质子（1H）。由此可以得到4He的质量占总产物的比Y， 。 (4) 这一结果与天文观测比较一致：目前宇宙中约1/4为4He，3/4为1H。这是宇宙早期核合成过程理论的成功之处。此外，该理论还能够较好的确定重子与光子数密度之比(和中微子代数目N(。 2 恒星内部的核燃烧过程 由于质量数为5或8的核素极不稳定，在宇宙早期不能大量合成重元素。目前我们观测到重元素的合成，往往与若干恒星过程有关。 2.1核燃烧的条件 太阳为什么发光？ 太阳的基本参数为 质量：= 2(1033 g， 半径：= 7(1010 cm， 光度：= 4(1033 erg/s。 若认为发光的能量来源于引力能，Eg~G/~ 4(1048 erg，太阳所能维持的发光时标（称为Kelvin-Helmholtz时标）tk~ Eg/~3(107年。然而古生物学家和地质学家发现地球已经存在46亿（~109）年了，远大于tk。因此引力能不是太阳发光的主要来源。 如果认为能量来源于热核反应，太阳的发光时标可达到~1011年。以41H(4He+2e++2(e反应为例，忽略中微子带走的能量，每四个氢