北京時間10月27日，國際頂級學術期刊《Nature》(《自然》)發(fā)表我國錦屏深地核天體物理實驗項目最新研究成果，該成果將關鍵核天體反應19F(p,γ)20Ne的測量范圍推進到世界最低能區(qū)，國際首次揭示了宇宙最古老恒星中的鈣豐度之謎，進一步揭示了古老恒星的演化命運，進一步證明了我國已全面具備了進行深地核天體物理研究的能力。

對此，諾貝爾物理學獎獲得者、詹姆斯·韋布太空望遠鏡首席科學家約翰·馬瑟來函表示，“祝賀你們的新測量，我覺得它們相當重要。”《自然》審稿人認為這是一個巨大的實驗成功，為未來核天體物理學研究提供了新途徑，這項研究結果會引起核天體物理學界的強烈興趣。

中核集團原子能院研究員柳衛(wèi)平、北京師范大學教授何建軍和美國圣母大學教授麥克·韋瑟為論文通訊作者。該文章也是《自然》雜志發(fā)表的第一篇我國核物理裝置實驗成果文章。

宇宙中已知最古老的恒星中的鈣豐度起源問題，對于很多科學家來說至今仍是未解之謎。這些恒星也被稱為第一代星或原初恒星。此前有理論認為，恒星中的鈣可能來源于19F(p,γ)20Ne 突破反應，然而該反應在天體物理感興趣的伽莫夫能區(qū)尚無實驗數(shù)據，繼而導致恒星演化模型難以解釋天文觀測數(shù)據。

中國錦屏地下實驗室為世界最深地下實驗室，宇宙射線通量可降到地面的千萬分之一至億分之一，有利于開展稀有反應事件的精確測量和研究。特別是中國錦屏地下實驗室為研究19F(p,γ)20Ne反應提供了本底極低的絕佳測量環(huán)境，能避免宇宙射線本底的干擾，對該反應進行直接精確測量。

我國錦屏深地核天體物理實驗項目就位于錦屏地下實驗室二期，由中國原子能科學研究院牽頭，聯(lián)合中科院近代物理研究所、北京師范大學、清華大學、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等科研單位于2020年底建成出束。2021年5月28日，習近平總書記出席兩院院士大會和中國科協(xié)第十次全國代表大會，在談及“戰(zhàn)略高技術領域取得新跨越”時，提到了“世界最強流深地核天體物理加速器成功出束”。2021年12月底，這臺加速器上產生的首批實驗成果正式發(fā)布，標志著我國核天體物理實驗研究步入國際先進行列，中國成為世界上第三個具備開展深地核天體物理研究的國家。

據原子能專家介紹，我國錦屏深地核天體物理實驗項目團隊成功研制出目前耐輻照能力最強的19F注入靶，并利用錦屏加速器提供的強流質子束，觸碰到了第一代星感興趣的伽莫夫能區(qū)，并發(fā)現(xiàn)了一個新的共振。此新共振的發(fā)現(xiàn)使得19F(p,γ)20Ne的反應率比之前國際權威數(shù)據庫中的推薦值大了5到7倍，并將反應率不確定度從幾個數(shù)量級縮小至50%左右，極大地降低了該反應率在天體網絡計算中所引入的誤差。

與此同時，該團隊與天體物理學家合作研究了該反應率在第一代星中的影響，計算表明19F(p,γ)20Ne反應突破出去的概率比之前預想的要大7倍左右，導致生成例如鈣類重物質的概率，比之前預計的要大很多，從而解釋了最古老恒星中觀測到的鈣豐度問題。值得一提的是，在近期發(fā)射升空的JWST的關鍵科學目標之一，即是對宇宙中最古老的第一代星和星系的探測，目前已經觀測到一批古老的恒星群。因此，本工作為研究JWST未來的觀測結果提供了可靠的核物理輸入量。

天體物理模型計算的第一代星中鈣的豐度