地下最深實(shí)驗(yàn)室揭示最古老恒星鈣豐度起源

中國(guó)科研人員依托錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)裝置（簡(jiǎn)稱JUNA），于2021年直接測(cè)量了關(guān)鍵核天體反應(yīng)——氟輻射俘獲質(zhì)子的突破反應(yīng)截面，將測(cè)量范圍推進(jìn)到世界最低能區(qū)并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新共振，解釋了宇宙中已知最古老恒星的鈣豐度起源問(wèn)題。該結(jié)果支持了第一代恒星的弱超新星爆模型，揭示了古老恒星的演化命運(yùn)。相關(guān)論文于北京時(shí)間10月26日刊發(fā)在《自然》期刊上。

2014年科研人員觀測(cè)到了一顆K型紅巨星，并在該紅巨星上觀測(cè)到鋰、碳、鎂和鈣元素，沒(méi)有觀測(cè)到鐵元素，稱其為極貧金屬第三星族星。它被視作宇宙中已知最古老恒星，誕生于大爆炸后一億年左右。確切來(lái)說(shuō)，它是第一代恒星超新星爆發(fā)后形成的遺跡。天體理論認(rèn)為，它的鈣元素可能來(lái)源于熱碳氮氧循環(huán)的突破反應(yīng)，但尚需數(shù)據(jù)支持。

論文第一通訊作者、北京師范大學(xué)教授何建軍26日告訴科技日?qǐng)?bào)記者，鈣誕生于一些關(guān)鍵性核反應(yīng)。第一代恒星典型溫度環(huán)境下（0.1GK，即1億攝氏度）發(fā)生熱核反應(yīng)的概率極低，直接測(cè)量非常困難。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室為世界最深地下實(shí)驗(yàn)室，宇宙射線通量可降到地面的千萬(wàn)分之一至億分之一，有利于開(kāi)展稀有反應(yīng)事件的精確測(cè)量和研究。JUNA就位于中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期，由中國(guó)原子能科學(xué)研究院牽頭，聯(lián)合中科院近代物理研究所、北京師范大學(xué)、清華大學(xué)等科研單位于2020年底建成出束。

何建軍和科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)幾年艱苦攻關(guān)，研制出目前耐輻照能力最強(qiáng)的氟注入靶。實(shí)驗(yàn)用強(qiáng)流質(zhì)子束轟擊氟靶，探測(cè)、分析碰撞后放出的伽馬射線，對(duì)該關(guān)鍵核反應(yīng)進(jìn)行了直接測(cè)量。

錦屏加速器提供的強(qiáng)流質(zhì)子束成功將該突破反應(yīng)推進(jìn)到國(guó)際最低的能量點(diǎn)，并在225千電子伏處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的共振。

模型計(jì)算表明，該突破反應(yīng)從碳氮氧循環(huán)突破出去的概率比之前預(yù)想的要大7倍左右，驗(yàn)證了鈣由突破反應(yīng)起源的假說(shuō)。它也有力支持了第一代恒星的弱超新星爆演化模型，即恒星爆發(fā)后中心生成了黑洞，外層較輕的元素被拋出去，內(nèi)層較重的元素被吸入黑洞，這也解釋了人們沒(méi)有觀測(cè)到第三星族中鐵元素的原因。

作為首批成果之一，突破反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的成功開(kāi)展證明JUNA全面具備了進(jìn)行深地核天體物理研究的能力。《自然》審稿人認(rèn)為這是一個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)成功，這為未來(lái)的核天體物理學(xué)研究提供了新途徑。（記者張蓋倫）