錦屏深地核天體物理實驗揭示古老恒星鈣豐度之謎

從世界最深的實驗室來窺探我們宇宙中的奧秘。（北師大供圖）

第三星族恒星中鈣的豐度(實心圓為計算值，虛線為觀測值)。（課題組供圖）

中國錦屏地下實驗室（CJPL），是目前世界上最深的地下實驗室，垂直巖石覆蓋達2400米，可將宇宙射線通量降到地面水平的千萬分之一至億分之一。在這里，北師大核科學與技術學院的科研團隊，取得了一系列世界領先的原創性成果，實現了國際核天體物理直接測量的最大曝光量、最寬能量范圍、最高靈敏度和最低本底環境。

北京師范大學教授何建軍團隊經過幾年艱苦攻關，成功研制出目前耐輻照能力最強的氟注入靶，解決了“卡脖子”的關鍵技術問題，并在錦屏深地直接測量了天體關鍵核反應截面，揭示了古老恒星鈣元素的豐度之謎。近日，相關成果刊發于《自然》雜志。

論文第一通訊作者何建軍告訴《中國科學報》，錦屏深地所需的束流強度比之前地面實驗所用的要強100倍左右，因此，之前利用傳統方法制作的靶根本無法滿足錦屏深地的實驗需求，此次研制的注入靶解決了這一關鍵技術問題，為錦屏深地實驗的成功奠定了堅實的基礎并積累了寶貴的經驗。

2014年，澳大利亞天文學家利用望遠鏡觀測到了一顆宇宙中迄今最古老的紅巨星，僅觀測到鋰、碳、鎂和鈣元素，但沒有觀測到鐵元素，因此稱其為極貧金屬星（編號SMSS0313-6708）。它誕生于大爆炸后一億年左右，由第一代星的超新星爆發形成的星云組成。然而，它的鈣元素起源問題至今仍然是一個謎。

天體理論認為，這些鈣元素可能來源于碳氮氧循環的突破反應。但是，氟輻射俘獲質子的突破反應在天體物理感興趣的能區尚無實驗數據，導致當前恒星演化模型難以解釋天文觀測數據。對于第一代星典型溫度（約為1億攝氏度）環境下發生的熱核反應，其有效伽莫夫能量遠低于庫侖勢壘，反應截面極低。在地面實驗室由于宇宙射線本底的干擾，人們一直無法對該反應進行伽莫夫能區的直接測量。

團隊于2021年初，利用錦屏深地核天體物理裝置(JUNA)提供的強流質子束成功將該氟俘獲質子的突破反應從之前的240千電子伏特一直向下推進至186千電子伏特，觸碰到了第一代星感興趣的伽莫夫能區，并幸運地在225千電子伏特發現了一個新的共振。

在第一代星最感興趣的一億攝氏度溫度附近，新共振的發現使得該突破反應的反應率比之前NACRE數據庫中的推薦值大了5.4~7.4倍，并且將之前該溫度附近的反應率不確定度從幾個數量級縮小至50%左右，極大地降低了該反應率在天體網絡計算中所引起的誤差。

同時，與天體物理學家合作，研究了新反應率在第一代星中的影響，計算表明該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，解釋了第三星族恒星SMSS0313-6708中觀測到的鈣豐度問題。

更具有深遠意義的是，新的反應率數據強有力地支持了第一代星的弱超新星爆模型，排除了其他天體模型的可能性。另外，在一千萬攝氏度的溫度環境下，新反應率比之前推薦的要大200倍左右，因此對于低溫環境下的恒星演化必將產生重要的影響，等待人們開展進一步的研究。毫無疑問，本工作將為詹姆斯·韋布望遠鏡(JWST)未來觀測目標提供可靠的核物理輸入量。

作為JUNA實驗裝置的首批成果之一，該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。這項研究結果會引起核天體物理學界的強烈興趣，包括實驗物理學、恒星建模以及觀測等。這一結果毫無疑問值得發表”。

2006年諾貝爾物理獎獲得者、JWST的首席科學家約翰·馬瑟來函祝賀說“祝賀你們的新測量，我覺得它們相當重要”。

據悉，JUNA實驗裝置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、北京師范大學、清華大學等科研單位于2020年底深地建成出束。

該工作得到了國家自然科學基金委重大項目和杰青項目等基金的資助。

相關論文信息：