地下最深實驗室揭示最古老恒星鈣豐度起源

中國科研人員依託錦屏深地核天體物理實驗裝置（簡稱JUNA），于2021年直接測量了關鍵核天體反應——氟輻射俘獲質子的突破反應截面，將測量範圍推進到世界最低能區併發現了一個新共振，解釋了宇宙中已知最古老恒星的鈣豐度起源問題。該結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。相關論文于北京時間10月26日刊發在《自然》期刊上。

2014年科研人員觀測到了一顆K型紅巨星，並在該紅巨星上觀測到鋰、碳、鎂和鈣元素，沒有觀測到鐵元素，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，誕生於大爆炸後一億年左右。確切來説，它是第一代恒星超新星爆發後形成的遺跡。天體理論認為，它的鈣元素可能來源於熱碳氮氧循環的突破反應，但尚需數據支持。

論文第一通訊作者、北京師範大學教授何建軍26日告訴科技日報記者，鈣誕生於一些關鍵性核反應。第一代恒星典型溫度環境下（0.1GK，即1億攝氏度）發生熱核反應的概率極低，直接測量非常困難。中國錦屏地下實驗室為世界最深地下實驗室，宇宙射線通量可降到地面的千萬分之一至億分之一，有利於開展稀有反應事件的精確測量和研究。JUNA就位於中國錦屏地下實驗室二期，由中國原子能科學研究院牽頭，聯合中科院近代物理研究所、北京師範大學、清華大學等科研單位於2020年底建成出束。

何建軍和科研團隊經過幾年艱苦攻關，研製出目前耐輻照能力最強的氟注入靶。實驗用強流質子束轟擊氟靶，探測、分析碰撞後放出的伽馬射線，對該關鍵核反應進行了直接測量。

錦屏加速器提供的強流質子束成功將該突破反應推進到國際最低的能量點，並在225千電子伏處發現了一個新的共振。

模型計算表明，該突破反應從碳氮氧循環突破出去的概率比之前預想的要大7倍左右，驗證了鈣由突破反應起源的假説。它也有力支持了第一代恒星的弱超新星爆演化模型，即恒星爆發後中心生成了黑洞，外層較輕的元素被拋出去，內層較重的元素被吸入黑洞，這也解釋了人們沒有觀測到第三星族中鐵元素的原因。

作為首批成果之一，突破反應實驗的成功開展證明JUNA全面具備了進行深地核天體物理研究的能力。《自然》審稿人認為這是一個巨大的實驗成功，這為未來的核天體物理學研究提供了新途徑。（記者張蓋倫）