北京师范大学与海外合作者在锦屏深地实验室关键核天体反应研究中取得进展
2024/04/22
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图1 位于四川西昌的锦屏深地核天体物理实验装置JUNA示意图
图2 19F(p,g)20Ne反应产额曲线（CO08为地面实验数据，JUNA为锦屏深地实验数据）
图3 19F(p,g)20Ne反应率与NACRE数据库推荐值的比较，插图表示0.14 GK温度下的比值
图4 天体物理模型计算的第一代恒星钙丰度（I：简化模型；II：混合对流模型；III：完整模型），虚线表示第一代恒星观测到的钙丰度
在国家自然科学基金项目（批准号：11825504、11490560、12075027、12125509）等资助下，北京师范大学何建军教授团队与国内外合作者利用中国锦屏深地核天体物理实验装置（JUNA），直接测量了关键核天体反应——氟辐射俘获质子的突破反应截面，将测量范围推进到世界最低能区并发现了一个新共振。研究成果以“第一代恒星中突破碳氮氧循环的19F(p,g)20Ne反应测量（Measurement of 19F(p,g)20Ne reaction suggests CNO break-out in first stars）”为题，于2022年10月26日在线发表于《自然》（Nature）期刊。论文链接: www.nature.com/articles/s41586-022-05230-x。
对于宇宙中已知最古老第一代恒星中的钙元素起源问题，天体理论认为钙可能来源于碳氮氧循环的突破反应。然而19F(p,g)20Ne突破反应在天体物理关注的伽莫夫能区反应截面极小，同时受到宇宙射线本底影响，在地面开展直接测量实验十分困难。JUNA实验装置安装在中国锦屏地下实验室（图1），该深地实验室覆盖岩层厚达2400多米，宇宙射线通量可降到地面的千万分之一至亿分之一，环境本底极低，有利于开展稀有反应事件的精确测量。
研究团队利用锦屏加速器提供的强流质子束，将19F(p,g)20Ne突破反应推进到国际最低的能量点，并在225 keV处发现了一个新的共振（图2）。在第一代恒星典型温度（0.1 GK，即1亿摄氏度）附近，这一新共振的发现使得19F(p,g)20Ne的反应率比NACRE数据库中的推荐值大5.4~7.4倍，并将之前0.1 GK温度附近的反应率误差从几个数量级缩小至50%左右（图3），极大降低了该反应率在天体网络计算中所引入的误差。模型计算表明该突破反应从碳氮氧循环突破出去的概率比之前的预想值要大7倍左右，验证了第一代恒星中观测到的钙元素起源于突破反应这一假说（图4），有力支持了第一代恒星的弱超新星爆演化模型，即恒星爆发后中心生成黑洞，外层较轻的元素被抛出去，内层较重的元素被吸入黑洞这一过程。
该研究解释了宇宙中已知最古老第一代恒星的钙元素起源问题，也将为太空望远镜未来观测的第一代恒星和星系的研究提供可靠的核物理输入量。
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