摘要：您是否曾想过，我们的太阳在诞生的恒星育婴室中花了多长时间才形成？一个国际科学家团队刚刚让我们更接近答案。他们在德国 GSI/FAIR 的实验储存环 (ESR) 中成功测量了完全电离的铊-205 (²⁰⁵Tl⁸¹⁺) 离子中一种罕见的核过程，即束缚态β衰变。这一
对铊衰变的新实验有助于确定太阳是在 1000 万至 2000 万年间形成的，从而改进了恒星核合成模型。
您是否曾想过，我们的太阳在诞生的恒星育婴室中花了多长时间才形成？一个国际科学家团队刚刚让我们更接近答案。他们在德国 GSI/FAIR 的实验储存环 (ESR) 中成功测量了完全电离的铊-205 (²⁰⁵Tl⁸¹⁺) 离子中一种罕见的核过程，即束缚态β衰变。这一突破为了解放射性同位素铅-205 (²⁰⁵Pb) 在渐近巨星分支 (AGB) 恒星中形成的方式提供了新的见解，并有助于完善对太阳形成时间线的估计。他们的研究结果发表在《自然》杂志上。
目前的估计表明，太阳从其母分子云形成需要数千万年的时间。这一时间线是根据太阳诞生前不久产生的长寿命放射性核素推断出来的。这些同位素是在 AGB 恒星（中等质量的垂死恒星）中产生的，并通过恒星风传播到太阳附近。
虽然这些放射性核素早已衰变，但它们在原始陨石中留下了可追溯的衰变产物，使科学家能够重建它们的起源。为了准确确定太阳的形成时间，科学家们寻找仅由慢中子俘获过程（s 过程）产生的放射性核素，而不受其他核合成途径的污染。最佳候选者是 ²⁰⁵Pb——一种符合这些标准的“仅 s”核。
原子衰变中的角色转换
在地球上，同位素“⁰⁵Pb”衰变成“⁰⁵Tl”，衰变过程是其中一个质子与原子电子结合，转变为中子并发射电子中微子。这种衰变（称为电子俘获）依赖于“⁰⁵Pb”和“⁰⁵Tl”之间非常小的能量差。然而，“⁰⁵Pb”中较高的电子结合能（由于其核电荷较大，Z = 82）使这种转变在能量上有利。有趣的是，如果所有电子都从原子中剥离（例如在极高温度环境中），情况就会逆转。
没有电子，²⁰⁵Tl 会变得不稳定，并发生 β 衰变形成 ⁵²⁰⁵Pb。这种反转发生在渐近巨星分支 (AGB) 恒星中，那里几亿开尔文的温度使原子完全电离。因此，AGB 恒星中 ²⁰⁵Pb 的产生主要取决于 ²⁰⁵Tl 在这些电离条件下衰变的速率。然而，这种衰变在典型的实
验室环境中无法观察到，因为在正常条件下，²⁰⁵Tl 是稳定的。
205 Tl的衰变只有在产生的电子被205 Pb中的一个束缚原子轨道捕获时才在能量上可能发生。这是一种极其罕见的衰变模式，称为束缚态β衰变。此外，核衰变会导致205 Pb 中的激发态，该状态仅比基态高出微小的 2.3 千电子伏，但比衰变到基态更有利。205 Tl - 205 Pb 对可以想象成恒星跷跷板模型，因为两种衰变方向都是可能的，获胜者取决于恒星环境条件的温度和（电子）密度——以及核跃迁强度，这是这场恒星竞争中最大的未知数。
开创束缚态β衰变实验
这个未知的秘密现在被一个由来自 12 个国家的 37 个机构的国际科学家团队进行的巧妙实验揭开。只有当衰变原子核被剥离所有电子并在这些特殊条件下保持数小时时，束缚态β衰变才可测量。在全球范围内，只有在 GSI/FAIR 重离子实验储存环 (ESR) 与碎片分离器 (FRS) 相结合时才有可能实现这一点。
“ 205 Tl 81+的测量早在 20 世纪 80 年代就已提出，但经过数十年的加速器开发和许多同事的辛勤工作才得以实现，”实验发言人、GSI/FAIR 教授 Yury Litvinov 说道。“为了实现成功实验所需的条件，必须开发大量突破性技术，例如在核反应中生产裸露的205 Tl、在 FRS 中分离 205 Tl 以及在 ESR 中积累、冷却、储存和监测。”
“了解了转变强度后，我们现在可以准确计算出在 AGB 恒星中发现的条件下跷跷板对205 Tl- 205 Pb 的运行速率，”在达姆施塔特工业大学和 GSI/FAIR 担任博士后研究员的 Riccardo Mancino 博士说。
匈牙利布达佩斯孔科利天文台、意大利阿布鲁佐国家天文台和英国赫尔大学的研究人员在他们最先进的 AGB 天体物理模型中应用新的205 Tl/ 205 Pb 恒星衰变率，推导出 AGB 恒星中的 205 Pb
生成量。孔科利天文台研究员玛丽亚·卢加罗博士解释说：“新的衰变率使我们能够自信地预测 AGB 恒星中产生了多少205 Pb，并有多少 205 Pb 进入了形成太阳的气体云。通过与我们目前从陨石中推断出的205 Pb 的数量进行比较，新结果给出了太阳从前身分子云形成的时间间隔为一千万到两千万年，这与慢中子俘获过程产生的其他放射性物质相一致。”
合作科学阐明太阳起源
“我们的研究结果凸显了开创性的实验设施、多个研究小组的合作以及大量的艰苦工作如何帮助我们了解恒星核心的过程。凭借我们的新实验结果，我们可以揭示太阳在 46 亿年前形成所需的时间，”TRIUMF 博士生、该出版物的第一作者 Guy Leckenby 说道。
测量束缚态β衰变半衰期对于分析星际介质中205 Pb 的积累至关重要。然而，其他核反应也很重要，包括205 Pb 的中子俘获率，为此计划利用 ESR 中的替代反应方法进行实验。这些结果清楚地说明了 GSI/FAIR 重离子储存环提供的独特可能性，可以将宇宙带入实验室。
此项工作献给已故同事 Fritz Bosch、Roberto Gallino、Hans Geissel、Paul Kienle、Fritz Nolden 和 Gerald J. Wasserburg，他们多年来一直支持这项研究。
来源：科学百态圈
