Nature发表我国最新的锦屏深地核天体物理实验，揭示宇宙最古老恒星钙丰度起源问题，具有哪些重大意义？

大家好，我是JUNA深地核天体物理实验首席科学家、中国原子能科学研究院研究员，看到我们第一批实验成果在世界顶级物理杂志上发表很高兴，也借此机会来和大家聊一聊这个话题。

先来说一说世界上最深、最安静的实验室——锦屏深地实验室。我本人是在8年前了解到有这么一个得天独厚的实验环境的，当时非常兴奋，于是立即和团队一起向国家申请在那里建立一个研究核天体物理的实验平台。在国家的支持下，我们集聚了国内最优秀的研究力量，经过五到六年的攻关，研发出来了最强的深地加速器。

有了最强的加速器，相当于有了一道最亮的光线，这样就足以使得那么微小的反应都能看得到。我们还通过巧妙的方法开发出一个效率极高的探测器，捕捉这些微弱的信号。2020年，在新冠肆虐的困难条件下，我们成功将这些最先进的仪器设备运输到大山深处，安装调试并成功出束。

有了最安静的环境、最强的亮度、最高的探测效率，就如同找到了破解宇宙密码的密钥。我们的研究能力终于在去年年底在2400米的大山深处得以最大的发挥，点燃了探索圣杯反应的深地之光。

2021年初，我们乘胜追击，连春节都值守在仪器旁，通过四个月的艰苦实验，终于脱颖而出，取得了弯道超⻋的好成绩，获得了国际上最大的曝光量，最高的灵敏度，测量到了产生重元素的中子有多少，了解到靠伽⻢射线我们能够看宇宙多远，完美解释了古老恒星的钙丰度，如今我们的第一批实验成果在世界顶级物理杂志上发表。

宇宙中已知最古老的极贫金属星（SMSS0313-6708）中的钙丰度起源问题，至今仍然是一个谜。这些恒星也被称为第一代星、Pop III星或原初恒星。之前的理论认为，这些钙可能来源于‘热’碳氮氧循环的突破反应。然而突破反应在天体物理感兴趣的能区尚无实验数据，导致恒星演化模型难以解释天文观测数据。在地面实验室由于宇宙射线本底的影响，人们一直无法对该反应进行能区的直接测量。中国锦屏地下实验室为研究该反应提供了本底极低的绝佳环境。

2021年初，利用锦屏加速器提供的强流质子束成功将该突破反应从之前的240 keV一直向下推进至186 keV能量点，触碰到了第一代星感兴趣的伽莫夫能区，并幸运地在225 keV处发现了一个新的共振。在第一代星最感兴趣的0.1 GK温度附近，此新共振的发现使得的突破反应的反应率比之前NACRE数据库中的推荐值大了5.4~7.4倍；将之前0.1 GK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入的误差。同时，与天体物理学家合作，研究了该反应率在第一代星中的影响，计算表明突破反应从‘温’碳氮氧循环循环突破出去的概率比之前预想的要大7倍左右，解释了SMSS0313-6708中观测到的钙丰度问题。另外，强有力地支持了Pop III星的弱超新星爆模型，排除了其他天体模型的可能性。值得一提的是，近期发射升空的詹姆斯·韦布太空望远镜JWST的关键科学目标之一即是对宇宙中最古老的第一代星和星系的探测，目前已经观测到一批古老的恒星群。因此，本工作为研究JWST未来的观测结果提供了可靠的核物理输入量。

下面我就聚焦几个问题来和大家聊聊。

一是什么是核天体物理？

核天体物理就是运用核物理的知识，来研究天体的能量产生和元素合成，也就是利用极小的原子核的规律解释极大的宇宙演化的规律。大家可能奇怪，原子核是一个肉眼看不⻅的微小粒子，而天体的恒星和行星都是巨大的星球，为什么这么微小的粒子会和这些巨大星球的演化联系在一起呢？这是因为，恒星的演化正是由于其内部原子核反应产生的巨大能量所驱动的。

说起原子核反应，大家可能觉得很高端，其实它跟我们烧煤炭的化学反应是类似的，只不过它的燃烧过程是从一个原子核变成另外一个原子核，而不是从一个分子变成另外一个分子。这个过程带来了巨大的能量放大，放大到什么程度呢？放大到上百万倍，就形成了驱动天体演化的力量。我们熟知的太阳，是由不断的核聚变反应，无数个氢弹在太阳内部形成的巨大能量产生光和热。我们地球上大量的核电站，是利用核裂变反应释放巨大热量产生电力。未来，我们还会用到核聚变的能源，那就相当于我们制造一个迷你小太阳。

二是加速器为什么可以研究核天体物理？

大家可能会问，我们怎么能知道在遥远的星球中发生的这些现象呢？经过科学家不断的探索，我们找到了一个很好的方法，那就是利用加速器创建一个迷你的宇宙，来研究复杂的天体现象。

大家知道，加速器实际上是利用静电场，把带电粒子给他推动加速到光速的一个装置。图片是锦屏深地核天体物理加速器的模型，一侧是加速器的阳极，一侧是阴极，中间有40万伏特的电压，我们加速器的粒子带的是正电，库伦力就会把带电粒子从阳极推进到阴极，当这个电压足够高时，就会把粒子推进到接近光速。到了这个速度，我们就有能力把原子核打碎，或者说把一个原子核变化成另一个原子核，这样就可以去测量在原子核打碎的过程中，它释放出来了多少能量，打碎的原子核是以什么速度衰变的。

锦屏深地核天体物理加速器

其实，迷你宇宙的说法是有道理的，在天体的环境中，大自然创造了无数个大大小小的这样的加速器。这就是为什么天文学家能够看到星体中发射出来的伽⻢射线、宇宙射线和中微子。我们实验室的加速器，就是根据自然界的条件模拟出来的实验装置。利用这些实验装置，国际上的科学家，包括我们中国的科学家，包括我所在团队的科学家，开展了一系列非常前沿的核天体物理的研究。我们设计了能够产生 太阳中微子的核反应，测量到每秒能产生多少个太阳中微子，掌握了探索自然界中碳和氧的比例的初步密码，还测量到了制造这些核反应的基本单元——原子核的质量。

如今，我们知道了宇宙中有丰富多彩的星球和元素，是经历了138亿年漫⻓的演化而形成的。在恒星演化的原初阶段，产生了比锂更轻的元素，后来经过漫⻓平稳的核燃烧阶段，产生了比铁更轻的元素，再后来，通过不断的捕获中子，产生了今天自然界的重元素，比如说构成我们核能发展的铀元素。如今，可以说，我们对核天体应该算是有一个比较全面的了解了。

三是为什么要到深地开展核天体物理研究？

虽说有了加速器，我们对宇宙和恒星演化的了解越来越深入，但这里还有很多未解之迷。

大家知道，碳元素和氧元素是构成生命的基石，在恒星演化过程中，从碳到氧的反应决定了宇宙中的碳氧含量比，这对于恒星演化、元素合成甚至生命起源都非常重要，因此被誉为“圣杯反应”。但是，精确测量这一反应的速度却依然是一个难题。正如诺⻉尔物理奖获得者威廉福勒在1983年所说，尽管碳和氧在人体中占比接近90%，但是我们仍然不完全了解从碳到氧的核天体反应速度。

为什么会这样?

记得我刚才说的天体演化漫⻓而平稳的阶段吧，现在我们的太阳就处于这个阶段。这时，两个原子核碰撞的速度非常低，这就使得从一个元素转化成另外一个元素的概率非常低。如果我们用常规方法在地面去探测这个概率，就好比在一个几万人欢呼的广场去听两个人的窃窃私语，根本听不⻅。这么一个微小反应产生的信号会被大量宇宙射线的噪音所淹没。

也是机缘巧合，十多年前，水利学家在四川雅砻江边的锦屏山深处发现了一个非常适合建造水电站的地方，他们在2400米深处修了一个引水池，建造了雅砻江流域水电站。科学家们发现了这么一个绝佳的深地实验环境，如获至宝。因为2400米深处的岩石就像一个暗室，能够牢牢地把宇宙射线的噪声给屏蔽掉。于是，国家支持科学家们在雅砻江水电站旁边开凿了一个巨大的空间，建造了一个世界上最深、最安静的实验环境。

《自然》审稿人认为这是一个巨大的实验成功，为未来核天体物理学研究提供了新途径，这项研究结果会引起核天体物理学界的强烈兴趣。

诺贝尔物理学奖获得者、詹姆斯·韦布太空望远镜首席科学家约翰·马瑟来函表示，“祝贺你们的新测量，我觉得它们相当重要。”

该成果将关键核天体反应 ^{19}F(p,γ)^{20}Ne 的测量范围推进到世界最低能区，国际首次揭示了宇宙最古老恒星中的钙丰度之谜，进一步揭示了古老恒星的演化命运，进一步证明了我国已全面具备了进行深地核天体物理研究的能力。

宇宙中已知最古老的恒星中的钙丰度起源问题，对于很多科学家来说至今仍是未解之谜。这些恒星也被称为第一代星或原初恒星。此前有理论认为，恒星中的钙可能来源于^{19}F(p,γ)^{20}Ne 突破反应，然而该反应在天体物理感兴趣的伽莫夫能区尚无实验数据，继而导致恒星演化模型难以解释天文观测数据。

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。特别是中国锦屏地下实验室为研究 ^{19}F(p,γ)^{20}Ne 反应提供了本底极低的绝佳测量环境，能避免宇宙射线本底的干扰，对该反应进行直接精确测量。

我国锦屏深地核天体物理实验项目就位于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、雅砻江流域水电开发有限公司等单位于2020年底建成出束。

据原子能专家介绍，我国锦屏深地核天体物理实验项目团队成功研制出目前耐辐照能力最强的 ^{19}F 注入靶，并利用锦屏加速器提供的强流质子束，触碰到了第一代星感兴趣的伽莫夫能区，并发现了一个新的共振。此新共振的发现使得 ^{19}F(p,γ)^{20}Ne 的反应率比之前国际权威数据库中的推荐值大了5到7倍，并将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入的误差。

与此同时，该团队与天体物理学家合作研究了该反应率在第一代星中的影响，计算表明 ^{19}F(p,γ)^{20}Ne 反应突破出去的概率比之前预想的要大7倍左右，导致生成例如钙类重物质的概率，比之前预计的要大很多，从而解释了最古老恒星中观测到的钙丰度问题。值得一提的是，在近期发射升空的JWST的关键科学目标之一，即是对宇宙中最古老的第一代星和星系的探测，目前已经观测到一批古老的恒星群。因此，本工作为研究JWST未来的观测结果提供了可靠的核物理输入量。

JUNA团队测量的 ^{19}F(p,γ)^{20}Ne 反应的产额曲线

^{19}F(p,γ)^{20}Ne 反应率与国际权威数据库推荐值的比较

天体物理模型计算的第一代星中钙的丰度

中核集团中国原子能科学研究院创建于1950年，前身是中国科学院近代物理研究所，是我国核科学技术的发祥地和基础性、前瞻性、先导性、工程性核科研综合基地。在我国“两弹一艇”研制攻关中作出了历史性的贡献。

在国家表彰的23位“两弹一星”功勋奖章获得者中，有7位在这里创建功勋，有60多位两院院士曾在这里学习和工作过，国内十几个重要的核科研和生产单位由此派生，从这里输送出去的各类骨干人才达一万多名。原子能院也因此获得了我国核工业“摇篮”和“老母鸡”的美誉。

70余年来，原子能院作为我国基础性、综合性的核科研基地，为国家核科技创新、核工业发展、核科技人才培养作出了重要贡献，形成了核物理、核化学与放射化学、核反应堆工程技术、加速器技术、核探测器技术、同位素技术、核安全、电离辐射计量、核燃料循环、新能源新材料十大学科领域，开发出了以同位素、加速器、核安保为主导的一批高新技术和产品。