锦屏深入地下核天体物理实验揭开古老恒星钙含量之谜

中国锦屏地下实验室，是目前世界上最深的地下实验室，垂直岩石覆盖达2.4公里，可将宇宙射线通量降到地面水平的千万分之一至亿分之一。 在这里，北京师范大学核科学与技术学院的科研团队，取得了一系列硏究成果，实现国际核天体物理直接测量的最大曝光量、最宽能量范围、最高灵敏度和最低本底环境。

北京师范大学教授何建军团队经过几年努力，成功研制出目前耐辐照能力最强的氟注入靶，并在锦屏深入的地下直接测量天体关键核反应截面，揭开古老恒星钙元素含量之谜。

何建军指出，锦屏地下实验室核所需的束流强度比之前地面实验所用的要强一百倍左右，之前利用传统方法制作的靶根本无法满足锦屏深入地下的实验需求，此次研制的注入靶解决了技术问题，为锦屏深入地下实验奠定基础。

2014年，澳洲天文学家利用望远镜观测到一颗宇宙中至今最古老的红巨星，仅观测到锂、碳、镁和钙元素，但没有观测到铁元素，因此称其为极贫金属星（编号SMSS0313-6708）。 它诞生于宇宙大爆炸后一亿年左右，由第一代星的超新星爆发形成的星云组成。 不过它的钙元素起源问题至今仍然是一个谜。

天体理论认为，这些钙元素可能来源于碳氮氧循环的突破反应。 但是，氟辐射俘获质子的突破反应在天体物理感兴趣的能区尚无实验数据，导致当前恒星演化模型难以解释天文观测数据。 对于第一代星典型温度（约为摄氏一亿度）环境下发生的热核反应，它的有效伽莫夫能量（Gamow Energy）远低于库仑障壁（Coulomb barrier），反应截面极低。 在地面实验室由于宇宙射线本底的干扰，科学家一直无法对该反应进行伽莫夫能区的直接测量。

硏究团队于2021年初，利用锦屏深入地下核天体物理装置提供的强流质子束，成功将该氟俘获质子的突破反应从之前的240千电子伏特一直向下推进至186千电子伏特，触碰到第一代星感兴趣的伽莫夫能区，并幸运地在225千电子伏特发现一个新的共振。

在第一代星最感兴趣的摄氏一亿度温度附近，新共振的发现使得该突破反应的反应率比之前核天体物理学反应汇编 （Nuclear Astrophysics Compilation of Reactions）数据库中的推荐值大了5.4至7.4倍，并且将之前该温度附近的反应率不确定度从几个数量级缩小至50%左右，极大地降低了该反应率在天体网络计算中所引起的误差。

同时，与天体物理学家合作，研究了新反应率在第一代星中的影响，计算显示该反应从碳氮氧循环突破出去的概率比之前预想的要大七倍左右，解释了第三星族恒星SMSS0313-6708中观测到的钙含量问题。

新的反应率数据强有力地支持了第一代星的弱超新星爆模型，排除了其它天体模型的可能性。 另外，在摄氏一千万度的温度环境下，新反应率比之前推荐的要大二百倍左右，因此对于低温环境下的恒星演化必将产生重要的影响。

锦屏深入地下核天体物理实验装置的成功开展证明它具备进行深入地下核天体物理研究的能力。 为未来的核天体物理学研究提供新途径。 这项研究结果会引起核天体物理学界的强烈兴趣，包括实验物理学、建立恒星模型以及观测等。

【图：北京师范大学; 文：节录自科学网页; 新闻资讯由林景明提供】 研究全文刊登在2022年10月26日出版的《自然》期刊; 标题是：Measurement of ¹⁹F（p， γ） ²⁰Ne reaction suggests CNO breakout in first stars

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