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2009年,开普勒号太空望远镜发射,专门用于发现类地行星。但即便人们接受宇宙膨胀的事实,伽莫夫的热大爆炸模型在当时也不吃香,强有力的反对者便是大名鼎鼎的英国天文学家弗雷德霍伊尔,大爆炸正是他的嘲讽之词。
此后,随着天文学家观察到一个又一个奇异的天体现象,大大刺激了核天体物理的发展,使之进入了黄金时代。如碳-12中著名的霍伊尔态激发态能量10%的微小变化就会使重元素、行星和我们所知的生命全部消失。随后,美国航天局和欧洲宇航局对宇宙微波背景辐射进行了更加精细的探测,如1989年美国发射的微波背景探测者卫星COBE探测到的背景辐射谱是完美的黑体辐射谱,这给宇宙大爆炸理论提供了更有力的证明。尽管弗里德曼和勒梅特一直都孕育着这一思想,但是正式撰文提出宇宙大爆炸理论的是弗里德曼的学生乔治伽莫夫。
很长一段历史时期,人类认为宇宙是静态的。作者:侯素青 来源:光明日报 发布时间:2023/7/6 8:17:13 选择字号:小 中 大 宇宙是炸出来的吗? 宇宙起源于一次极其猛烈的大爆炸,也就是说,宇宙是炸出来的。属于满足人类好奇心、求知欲,揭开未知世界,促进科学进步获取新知识的研究范畴。上海交通大学以及中国工程物理研究院基于国内激光装置开展轻核聚变反应的截面测量,掀起国内利用激光装置测量天体反应率的热潮。
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随着宇宙膨胀,温度和密度逐渐下降,慢慢演化形成了现在的星系等天体。如何解决锂丰度问题是横在该领域科学家面前无法回避的问题。
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微小的原子核与宏大的宇宙天体紧密联系 人类生活在地球上已有200万年的历史,在近五、六千年的历史长河中创造了璀璨的地球文明。从此,在宇宙大爆炸锂丰度问题上,有一种解决方案来自于中国科研人员。
1946年,美国成功发射V2火箭,人类首次突破大气层从太空看到了地球。而对宇宙大爆炸理论的逐步认识,又催生出一系列与人类密切相关的根本性问题人类生活的地球上,构成物质世界的元素是怎么产生的?太阳辐射的能量究竟源于哪里?这些都是核天体物理研究的范畴,这一学科将微小到肉眼看不到的原子核,同浩瀚宏大的宇宙天体紧密地联系在一起。
之前的研究思路基本都是从核反应截面不准确的角度出发来寻找答案,因此几十年来各国科学家在花费巨大的加速器上不断开展实验,不断精确化相关反应的核反应截面。锂丰度异常困扰科学家几十年 有一个深奥的问题宇宙从何而来、如何产生?这个问题催生出宇宙大爆炸理论。
然而,关于构成物质世界的这些元素是怎么产生的?这个问题一直没有一个科学的回答,直到核天体物理这门科学诞生。当前核天体前沿发展需要科研人员在更细分、深入的领域突破创新。大爆炸核合成发生在大爆炸开始之后三分钟,温度降到约为10亿度的时候,质子和中子有效结合生成氘,生成的氘核进一步与周围的核子发生反应,生成的新核素继续与周围的核子反应下去。他们预言大爆炸之后38万年的时候,宇宙已经冷却到电子和原子核结合形成中性原子,这时光子失去碰撞对象电子,成为背景光子(即微波背景辐射),至今依然弥漫在宇宙当中,当前整个世界浸泡在背景光子海洋当中,且背景光子的温度在今天约为几开尔文。
由于刚性微分方程组数值求解稳定性较差,需要细小的步长控制误差的传递扩散。核天体物理另一标志性工作是美籍俄裔物理学家乔治伽莫夫1948年提出的宇宙大爆炸模型,该过程产生了构成物质世界最原始最基础的元素氢氦锂。
短期看可能没有直接经济效益和应用价值,但是该类研究的意义宏大深远。从核物理的角度看,元素丰度是由控制核合成的核反应率决定的,而核反应率又是由核与核的反应截面和反应核子的能量分布共同决定。
例如:中国科学院近代物理研究所实验团队基于兰州重离子加速器国家实验室冷却储存环(CSR),从2011年开始,开展一系列缺中子短寿命原子核质量的高精度测量,为全面理解天体X-射线暴快质子俘获过程作出了重要贡献。探索宇宙起源遗留的未解难题 自宇宙大爆炸理论被提出以来,其建立的基本假设和直接预言的微波背景辐射都被后来的天文观测所一一证实,毫不夸张地说,大爆炸理论是当前人类解释宇宙起源最成功的理论。
但是如此完美的理论中也有不完美之处,就是前面所说的大爆炸锂丰度问题。它将微小到肉眼看不到的原子核同浩瀚宏大的宇宙天体紧密地联系在一起。核天体物理研究萌芽于20世纪初,诱因是科学家发现太阳已经辐射几十亿年,如此持久的能量究竟来源于哪里?关于这个问题,美国科学家汉斯贝特1938年给出了答案核反应为太阳提供了绵绵不绝的能量,他也因此获得1967年的诺贝尔物理学奖。于是我们决定自己编写计算程序。
随着国家对基础科研支持力度的不断加强,国内核天体物理的发展必将突飞猛进。核天体物理是核物理学和天体物理学交叉形成的前沿科学,主要通过微观层次的核反应来研究构成物质世界元素的起源以及天体内部的核引擎如何驱动天体演化。
毫不夸张地说,人类与核天体物理从宇宙创生那一刻起就一直紧密相连,所以该学科自诞生以来一直被科学界确立为高度优先的前沿科学。在过去的半个世纪里,科学家们在核天体相关领域取得了辉煌的成绩,诸如大爆炸理论得到宇宙微波背景辐射等多重观测证据的支持,太阳中微子丢失是源于中微子振荡,发现的超新星以及X-射线暴等极端天体现象极大地增进了人们对天体核合成场所的了解,科学家成功探测到引力波并探明双中子星并合是产生宇宙重元素的重要场所等等。
核天体物理与构成生命以及承载人类生活的客观世界的物质本源息息相关。事实证明诸如无人驾驶、太阳能技术好多当前生活中应用到的科技早期发端于宇宙太空探索。
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