我们都听说过，太阳是在大约46亿年前从原始分子云中形成的。但科学家还不完全清楚的是，太阳的形成究竟用了多长时间。
在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个来自12个国家的37个机构的科学家组成的国际研究团队向这个问题发起了挑战。他们开创了一项巧妙的实验，朝着问题的答案向前迈进了一步。
一个双向衰变系统
寿命在数百万年左右的
放射性核素
，可被用于揭示太阳的形成史，以及在太阳诞生之时发生的活跃的核合成。自46亿年前太阳诞生以来，这些放射性核素就一直在衰变，它们在最古老的陨石上留下了衰变的印记。
在恒星环境中产生的18种可被测量的短寿命放射性核素中，有4种是由所谓的
渐近巨星支
（AGB）
恒星的
s过程
（中子慢捕获过程）
产生的，它们分别是¹⁰⁷Pt
（铂）
、¹³⁵Cs
（铯）
、¹⁸²Hf
（铪）
、²⁰⁵Pb
（铅）
——其中，
²
⁰⁵Pb
是一个强有力的例子，因为它完全由s过程产生，不会受到其他核合成过程的“污染”
。
然而，到目前为止，科学家都无法对
²⁰⁵Pb
进行准确的丰度预测。原因在于，在恒星温度下，
²⁰⁵Pb
与它的衰变产物
²⁰⁵
Tl
（铊）
，有着非常不确定的衰变率。
具体来说，在地球上，
²⁰⁵Pb
（含有82个电子）
会通过将一个质子和一个电子转化为一个中子和一个电子中微子，衰变成
²⁰⁵
Tl
（含有81个电子）
。
²⁰⁵Pb
与
²⁰⁵
Tl之间的能量差非常小，这就会造成问题：当所有电子都被移除时，
²⁰⁵Pb
和
²⁰⁵
Tl在衰变中的角色将会颠倒——
²⁰⁵
Tl会经历所谓的
β-衰变
，变为
²⁰⁵Pb
。
这正是在AGB恒星中发生的情况。在这些恒星环境中，几亿开尔文的温度足以使原子完全电离。因此，
在AGB恒星中，
²⁰⁵Pb
的丰度主要取决于
²⁰⁵
Tl衰变成
²⁰⁵Pb
的速率
。
然而，这种衰变无法在正常的实验室条件下测量，因为在这些环境下，
²⁰⁵
Tl是稳定的。要想让
²⁰⁵
Tl衰变，就必须让产生的电子被捕获到
²⁰⁵Pb
的一个
束缚原子轨道
上——这是一种非常罕见的衰变模式，被称为
束缚态β-衰变
。不仅如此，这种衰变还会导致
²⁰⁵Pb
的一种激发态，这种激发态在能量上仅比基态略微高一点点，很容易就衰变回基态。
因此，可以说，
²⁰⁵
Tl与
²⁰⁵Pb
这二者之间的衰变，就像是一个“跷跷板”
——两个衰变方向都是可能的，哪一方会取胜取决于恒星环境的温度和
（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。
极具挑战的实验
目前，科学家已经知道，要想对
²⁰⁵
Tl-
²⁰⁵Pb
这个衰变系统进行测量，唯一的方法就是测量
²⁰⁵
Tl⁸¹⁺
的束缚态β-衰变。而这么做的前提，是要
剥离掉衰变的原子核的所有电子
，并让其在这种特殊条件下保持几个小时。
虽然
²⁰⁵
Tl⁸¹⁺
的测量最早于20世纪80年代就已经提出，然而这是个极具挑战性的实验。直到经过数十年的努力，科学家们才终于取得了进展。
在新的研究中，研究人员通过将GSI/FAIR重离子实验存储环
（ESR）
与碎片分离器
（FRS）
相结合，获得了完全剥离的
²⁰⁵
Tl⁸¹⁺离子。研究人员表示，在世界范围内，这是唯一能用于分离、积累、冷却、储存和监测
²⁰⁵
Tl⁸¹⁺
的设施。
在获悉了跃迁强度后，研究人员准确地计算出了在AGB恒星中的条件下，
²⁰⁵
Tl-
²⁰⁵Pb
这个“跷跷板”的衰变率。接着，通过将新获得的
²⁰⁵
Tl-
²⁰⁵Pb
衰变率输入最先进的AGB模型中，研究人员推算出了AGB恒星的
²⁰⁵Pb
的量。
新的衰变率使研究人员能够自信地预测AGB恒星产生了多少
²⁰⁵Pb
，并进入到了形成太阳的气体云中。他们将通过这种方法计算得出的
²⁰⁵Pb
的量，与目前从陨石中推断的
²⁰⁵Pb
的量进行了比较。
结果表明，
太阳从原始分子云形成的时间间隔为1000万年到2000万年
。
