地下最深实验室揭示最古老恒星钙丰度起源

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科技日报记者 张盖伦

我国科研人员依托中国锦屏深地核天体物理实验装置（简称JUNA），于2021年直接测量了关键核天体反应——氟辐射俘获质子的突破反应截面，将测量范围推进到世界最低能区并发现了一个新共振，解释了宇宙中已知最古老恒星的钙丰度起源问题。该结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运。相关论文于北京时间10月26日刊发在《自然》期刊上。

2014年科研人员观测到了一颗K型红巨星，并在该红巨星上观测到锂、碳、镁和钙元素，没有观测到铁元素，称其为极贫金属第三星族星。它被视作宇宙中已知最古老恒星，诞生于大爆炸后一亿年左右。确切来说，它是第一代恒星超新星爆发后形成的遗迹。天体理论认为，它的钙元素可能来源于热碳氮氧循环的突破反应，但尚需数据支持。

论文第一通讯作者、北京师范大学教授何建军10月26日告诉科技日报记者，钙诞生于一些关键性核反应。第一代恒星典型温度环境下（0.1GK，即1亿摄氏度）发生热核反应的概率极低，直接测量非常困难。中国锦屏地下实验室为世界最深地下实验室，宇宙射线通量可降到地面的千万分之一至亿分之一，有利于开展稀有反应事件的精确测量和研究。JUNA就位于中国锦屏地下实验室二期，由中国原子能科学研究院牵头，联合中科院近代物理研究所、北京师范大学、清华大学等科研单位于2020年底建成出束。

何建军和科研团队经过几年艰苦攻关，研制出目前耐辐照能力最强的氟注入靶。实验用强流质子束轰击氟靶，探测、分析碰撞后放出的伽马射线，对该关键核反应进行了直接测量。

锦屏加速器提供的强流质子束成功将该突破反应推进到国际最低的能量点，并在225keV处发现了一个新的共振。

模型计算表明，该突破反应从碳氮氧循环突破出去的概率比之前预想的要大7倍左右，验证了钙由突破反应起源的假说。它也有力支持了第一代恒星的弱超新星爆演化模型，即恒星爆发后中心生成了黑洞，外层较轻的元素被抛出去，内层较重的元素被吸入黑洞，这也解释了人们没有观测到第三星族中铁元素的原因。

作为首批成果之一，突破反应实验的成功开展证明JUNA全面具备了进行深地核天体物理研究的能力。《自然》审稿人认为这是一个巨大的实验成功，这为未来的核天体物理学研究提供了新途径。

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