The Innovation | 从地底到深空：核天体物理实验帮助解开古老恒星中元素产生之谜

导 读

越早形成的恒星其元素成分就越简单（以氢和氦为主）。但天文学家在宇宙中发现了一些古老恒星中富含钙元素，这一现象背后的原因依然是个谜。最近，位于中国锦屏山的地下实验室进行了一系列核天体物理实验，成功重现了深空中古老恒星内钙元素的形成过程，为解开这一谜题打开了新的窗口。

图1 图文摘要

恒星内部是巨大的核聚变反应堆，其核心不断将较轻的元素聚变成较重的元素（例如从氢聚变成氦），从而产生能量。理解宇宙中第一批闪耀的恒星（也称为第一代恒星或星族III恒星）是天文学最重要的探索课题之一。遗憾的是，第一代恒星寿命极短，它们早在上百亿年前已经燃尽炸毁，成为了超新星。

尽管如此，天文学家并未停止对第一代恒星的探索。随着第一代恒星的的死亡，它们的残骸会被高速喷射到星际空间中，成为第二代恒星形成的温床。也就是说，第二代恒星的大气中保留着初代恒星的“记忆”，它们中寿命较长的至今依然存活并能被天文学家观测到。

SMSS0313-6708就是这样一颗恒星，它是我们银河系中已知的最老的恒星之一。在它的大气中，天文学家检测到了钙元素的含量竟然比理论计算值高两个量级（约100倍）。显然，这里必须满足的基本准则是：理论计算出的元素含量应该与观测相符。否则，我们自然就会怀疑这一元素的起源理论是否正确。

SMSS0313-6708中的钙元素并没有满足上述的准则，造成这一现象的原因至今未知。有人提出，这个问题的答案可能不在深空中，而应该在地底下。近期发表于Nature上的一项核天体物理实验(Zhang et al. 2022)为解决这一问题打开了新的思路。在中国锦屏地下实验室（CJPL）中，Zhang等人在极低的能量段测量了¹⁹F(p, γ)²⁰Ne的反应截面，他们在225 keV处检测到了一个共振。这一共振对上述反应的反应率有明显贡献，而之前的实验都没有检测到它。新的共振使得¹⁹F(p, γ)²⁰Ne反应更容易发生，而与其竞争的另一个反应¹⁹F(p, α)¹⁶O则会受到相应的抑制，两者反应速率之比也因此提高了7.4倍。¹⁹F(p, γ)²⁰Ne反应的加强有利于在诸如SMSS0313-6708这类恒星中形成更多的钙元素。

直接测量¹⁹F(p, γ)²⁰Ne反应速率的困难在于地球表面存在着自然辐射。深层地下实验室可以极大地减少宇宙射线对测量的干扰，并提供极低背景的测量环境，这对精确测量和研究稀有反应事件至关重要。

CJPL是目前世界上岩石覆盖最深的地下实验室，其上方的岩石可以挡住大部分地球表面的自然辐射，因此，成为了上述实验的理想平台。CJPL建有八个新的实验空间，用于多学科深层科学实验，包括锦屏地下核天体物理实验（JUNA）。

总结与展望

来自地下实验室的研究为解决遥远深空中古老恒星的元素丰度之谜提供了新的可能，也能为天文观测和理论计算间的元素丰度不一致问题提供启示。未来，CJPL和JUNA还将继续进行诸多挑战性的核反应实验，助力核天体物理研究，使宇宙探索进入全新的时代。

责任编辑

程   鑫    南京大学

李顺波    重庆大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00005-X

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第一期以Commentary发表的“From deep earth to deep stars: A different nuclear reaction path to generate calcium in ancient stars” (投稿: 2022-11-17；接收: 2022-12-31；在线刊出: 2023-01-02)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100377

引用格式：Yan H., Shi J., Hou S. (2023). From deep earth to deep stars: A different nuclear reaction path to generate calcium in ancient stars. The Innovation. 4(1),100377.

作者简介

闫宏亮，中国科学院国家天文台项目研究员。本科就读于南京大学天文学系，并于中国科学院大学获得天体物理博士学位。2008年起参与LAMOST建设，是LAMOST运行团队的核心成员之一，现担任观测运行部副主任。主要从事天体化学丰度、银河系化学演化等领域的研究，特别是恒星中锂元素丰度与银河系锂元素演化等，主要成果入选2018中国十大天文科技进展。先后获得国家级人才项目的支持以及中国天文学会“黄授书”奖等。

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