揭示古老恒星鈣豐度之謎
2022-11-08
近日，南方科技大學物理系講席教授、中國原子能科學研究院研究員柳衛平帶領的基金委重大項目JUNA合作組，依托中國錦屏深地核天體物理實驗裝置（JUNA），對關鍵核天體反應19F(p,g)20Ne進行了反應截面的直接測量，將測量范圍推進到世界最低能區，并發現了一個新的共振，解釋了宇宙中已知最古老恒星（SMSS0313-6708）的鈣豐度起源問題。相關成果發表于國際頂級期刊《自然》（Nature）上并被選為亮點文章。這也是科研人員在我國核物理研究平臺上發表的第一篇Nature文章。
對于恒星平穩演化階段相對低溫環境下發生的熱核反應，其決定反應率的有效伽莫夫窗口遠低于庫侖勢壘，且反應截面甚小，使得直接測量十分困難。深地實驗室能夠極大地降低宇宙射線造成的干擾，提供本底極低的測量環境，有利于開展稀有反應事件的精確測量和研究。中國錦屏地下實驗室（CJPL）覆蓋巖層厚達2400多米，居世界之首。宇宙射線通量比意大利格蘭薩索地下LUNA實驗室還要低大約100倍。錦屏II期新建了8個實驗洞用于開展暗物質、中微子和核天體物理等多學科深地科學研究。其中，A1實驗洞用于建設核天體物理（JUNA）實驗裝置。
宇宙中已知最古老的極貧金屬星（SMSS0313-6708）中的鈣豐度起源問題，至今仍然是一個謎。這些恒星也被稱為第一代星、Pop III星或原初恒星。之前的理論認為，這些鈣可能來源于‘熱’碳氮氧循環的突破反應。然而突破反應19F(p,g)20Ne 在天體物理感興趣的伽莫夫能區尚無實驗數據，這導致難以用恒星演化模型去解釋天文觀測數據。在地面實驗室由于宇宙射線本底的影響，人們一直無法對該反應進行伽莫夫能區的直接測量。錦屏深地實驗室為研究該反應提供了絕佳的本底環境。在首席科學家柳衛平的JUNA團隊支持下，項目子課題負責人何建軍教授帶領科研團隊經過幾年艱苦攻關，成功研制出目前耐輻照能力最強的19F注入靶。于2021年初，利用錦屏加速器提供的強流質子束成功將該突破反應19F(p,g)20Ne從之前的240 keV一直向下推進至186 keV能量點，觸碰到了第一代星感興趣的伽莫夫能區，并幸運地在225 keV處發現了一個新的共振（見圖1）。在第一代星最感興趣的0.1 GK溫度附近，此新共振的發現使得19F(p,g)20Ne的反應率比之前NACRE數據庫中的推薦值增加了5.4~7.4倍；將之前0.1 GK溫度附近的反應率不確定度從幾個數量級縮小至50%左右（見圖2），這極大地降低了該反應率在天體網絡計算中所引入的誤差。同時，通過與其他天體物理學家的合作，研究人員研究了該反應率在第一代星中的影響，計算表明19F(p,g)20Ne反應從‘溫’碳氮氧循環突破出去的概率比之前理論預言要大7倍左右，這解釋了極貧金屬星SMSS0313-6708中觀測到的鈣豐度問題（見圖3）。
圖1：JUNA測量的19F(p,g)20Ne反應的產額曲線。其中發現的新共振位于225.2 keV，紅色實線為R-矩陣擬合的結果。CO08為以前地面實驗的數據，JUNA代表錦屏深地實驗的數據。
圖2：19F(p,g)20Ne反應率與NACRE數據庫推薦值的比較。其中，小插圖表示0.14 GK溫度下的比值。帶顏色的帶子表示相應反應率的不確定度。其中紅色的線為JUNA的結果。
圖3：天體物理模型計算的第一代星中鈣的豐度。其中，I：簡化模型；II：混合對流模型；III：完整模型?；疑摼€表示Pop III星（SMSS0313-6708）的觀測豐度。其中紅色的點為JUNA的結果。
另外，此研究強有力地支持了Pop III星的弱超新星爆模型，排除了其他天體模型的可能性。值得一提的是，近期發射升空的詹姆斯·韋布太空望遠鏡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（見圖4）。
圖4:錦屏深地核天體物理實驗JUNA藝術家想象圖，天空背景為JWST天文望遠鏡發布的第一張深場照片，大山為四川西昌錦屏山，山中間的實驗裝置為JUNA核天體物理的加速器和探測器。
作為JUNA實驗裝置的首批成果之一，19F(p,g)20Ne實驗的成功開展證明了JUNA全面具備了進行深地核天體物理研究的能力?！蹲匀弧穼徃迦苏J為：“這是一個巨大的實驗成功。這為未來的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，包括實驗物理學、恒星建模以及觀測等。這一結果毫無疑問值得發表?！?006年諾貝爾物理獎獲得者、JWST的首席科學家約翰·馬瑟也來函祝賀：“祝賀你們的新測量，我覺得它們相當重要?！?br />
論文第一作者為北京師范大學副教授張立勇，通訊作者為北京師范大學教授何建軍，南科大講席教授柳衛平，美國圣母大學教授M. Wiescher。以上研究得到了國家自然基金委重大項目和杰出青年基金項目等基金的大力資助。
論文鏈接：www.nature.com/articles/s41586-022-05230-x
News & Views article in Nature: www.nature.com/articles/d41586-022-03367-3
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