我国首次揭示宇宙最古老恒星钙丰度之谜

北京时间10月27日，国际顶级学术期刊《Nature》（《自然》）发表我国锦屏深地核天体物理实验项目最新研究成果，该成果将关键核天体反应19F(p,γ)20Ne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。

对此，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。”《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。

中核集团原子能院研究员柳卫平、北京师范大学教授何建军和美国圣母大学教授麦克·韦瑟为论文通讯作者。该文章也是《自然》杂志发表的第一篇我国核物理装置实验成果文章。

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19F(p,γ)20Ne 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19F(p,γ)20Ne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科研单位于2020年底建成出束。2021年5月28日，习近平总书记出席两院院士大会和中国科协第十次全国代表大会，在谈及“战略高技术领域取得新跨越”时，提到了“世界最强流深地核天体物理加速器成功出束”。2021年12月底，这台加速器上产生的首批实验成果正式发布，标志着我国核天体物理实验研究步入国际先进行列，中国成为世界上第三个具备开展深地核天体物理研究的国家。

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19F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19F(p,γ)20Ne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19F(p,γ)20Ne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。