你是否曾对我们的太阳在其恒星摇篮中形成用了多长时间感到好奇？一个全球的科学家团队在寻找答案方面取得了进展。他们成功测量了在GSI/FAIR实验存储环（ESR）中完全电离铋（205Tl81+）离子的束缚态β衰变。这一测量对在渐近巨星分支（AGB）恒星中生成放射性铅（205Pb）有显著影响，有助于估算太阳的形成时间线。这些发现已在期刊Nature中发表。
当前的估计表明，太阳是从其父母分子云中形成的，耗时数千万年。这一估计来源于在太阳形成前不久通过一种称为天体物理s-过程生成的长寿命核素。这一s-过程发生在邻近的AGB恒星中，这些是接近生命周期结束的中质量恒星。核素在太阳形成46亿年前早已衰变，留下了微弱的衰变产物的可检测信号，存在于陨石中。研究的理想候选核素是仅由s-过程生成的，不受其他核合成过程污染的核素。唯一符合条件的“仅s”核素是205Pb。
在地球上，205Pb通过将一个质子和一个电子转变成一个中子和一个电子中微子而衰变为205Tl。205Pb与其子核205Tl之间的能量差极小；然而，205Pb中电子的绑定能量较高（Z=82，与205Tl中的81个电子相比），这会影响衰变方向。简单来说，如果所有电子被移除，父母核素和子核素的角色会互换，导致205Tl经历β减衰变而变为205Pb。这个过程在温度达到几亿开尔文的AGB星中发生，足以完全电离原子。在AGB星中生成的205Pb的数量严重依赖于205Tl衰变为205Pb的衰变率。然而，由于205Tl在标准实验室条件下是稳定的，因此无法在这些条件下进行测量。
205Tl的衰变仅在得到的电子被捕获到205Pb的某个束缚原子轨道中时发生。这代表了一种极为罕见的衰变过程，称为束缚态β衰变。此外，核衰变导致205Pb中有一个激发态，位于其基态上方仅2.3千电子伏，且比衰变到基态的概率要高。205Tl和205Pb之间的联系可以比作一个恒星秋千模型，其中两种衰变路径都是可能的，且优选方向依赖于温度、电子密度及核过渡强度等条件，而这些之前是未知的。
得益于由来自十二个国家的37个机构组成的国际团队进行的一次卓越实验，这一未知现已揭晓。束缚态β衰变仅在衰变核素剥除所有电子并在这些特殊条件下维持数小时后可测量。这在GSI/FAIR的重离子实验存储环（ESR）与碎片分离器（FRS）相结合的情况下是独特可行的。“205Tl81+的测量在1980年代就被提出，但经过数十年的加速器发展和许多同事的努力，才得以实现，”GSI/FAIR的Yury Litvinov教授（实验发言人）表示。“一整套新颖的技术是成功实验所必需的，包括通过核反应生成裸205Tl，随后在FRS中分离，并在ESR中进行积累、冷却、存储和监测。”
“现在我们理解了过渡强度，我们可以准确计算205Tl-205Pb系统在AGB恒星典型条件下的运作，”拥有计算工作的达姆施塔特工业大学与GSI/FAIR的博士后研究员Riccardo Mancino博士说道。
来自匈牙利孔科利天文台、意大利INAF阿布鲁佐天文台和英国赫尔大学的研究人员利用他们先进的AGB天体物理模型，结合新的205Tl/205Pb恒星衰变率，推导出了AGB恒星中205Pb的生产产量。“更新后的衰变率使我们能够自信地预测AGB恒星中生成多少205Pb，并最终进入形成我们太阳的气体云中，”孔科利天文台的Maria Lugaro博士解释道。“通过将其与从陨石推断出的205Pb量进行比较，我们得出结论，太阳从其前驱分子云的形成时间框架为一千万到两千万年，符合通过慢中子捕获过程形成的其他放射性同位素。”
“我们的发现强调了尖端实验设施、多个研究小组之间的合作努力以及在增强我们对星体核心内发生的过程的理解方面的辛勤工作的重要性。通过我们的新实验结果，我们可以揭示太阳在46亿年前的形成时间线，”TRIUMF的博士生、发表文件的第一作者Guy Leckenby说道。
测量的束缚态β衰变的半衰期对于分析205Pb在星际介质中的积累至关重要。此外，205Pb上的中子捕获速率等其他核反应同样重要，实验计划利用ESR中的替代反应方法。这些发现强调了GSI/FAIR重离子存储环提供的独特机会，使得我们能够在实验室中探索广阔的宇宙。
这些努力献给已故同事Fritz Bosch、Roberto Gallino、Hans Geissel、Paul Kienle、Fritz Nolden和Gerald J. Wasserburg，他们多年支持这一研究。
