錦屏深入地下核天體物理實驗揭開古老恆星鈣含量之謎


中國錦屏地下實驗室,是目前世界上最深的地下實驗室,垂直岩石覆蓋達2.4公里,可將宇宙射線通量降到地面水平的千萬分之一至億分之一。在這裡,北京師範大學核科學與技術學院的科研團隊,取得了一系列硏究成果,實現國際核天體物理直接測量的最大曝光量、最寬能量範圍、最高靈敏度和最低本底環境。

北京師範大學教授何建軍團隊經過幾年努力,成功研製出目前耐輻照能力最強的氟注入靶,並在錦屏深入的地下直接測量天體關鍵核反應截面,揭開古老恆星鈣元素含量之謎。

何建軍指出,錦屏地下實驗室核所需的束流強度比之前地面實驗所用的要強一百倍左右,之前利用傳統方法製作的靶根本無法滿足錦屏深入地下的實驗需求,此次研製的注入靶解決了技術問題,為錦屏深入地下實驗奠定基礎。

2014年,澳洲天文學家利用望遠鏡觀測到一顆宇宙中至今最古老的紅巨星,僅觀測到鋰、碳、鎂和鈣元素,但沒有觀測到鐵元素,因此稱其為極貧金屬星(編號 SMSS0313-6708)。它誕生於宇宙大爆炸後一億年左右,由第一代星的超新星爆發形成的星雲組成。不過它的鈣元素起源問題至今仍然是一個謎。

天體理論認為,這些鈣元素可能來源於碳氮氧循環的突破反應。但是,氟輻射俘獲質子的突破反應在天體物理感興趣的能區尚無實驗數據,導致當前恆星演化模型難以解釋天文觀測數據。對於第一代星典型溫度(約為攝氏一億度)環境下發生的熱核反應,它的有效伽莫夫能量(Gamow Energy)遠低於庫侖障壁(Coulomb barrier),反應截面極低。在地面實驗室由於宇宙射線本底的干擾,科學家一直無法對該反應進行伽莫夫能區的直接測量。

硏究團隊於2021年初,利用錦屏深入地下核天體物理裝置提供的強流質子束,成功將該氟俘獲質子的突破反應從之前的240千電子伏特一直向下推進至186千電子伏特,觸碰到第一代星感興趣的伽莫夫能區,並幸運地在225千電子伏特發現一個新的共振。

在第一代星最感興趣的攝氏一億度溫度附近,新共振的發現使得該突破反應的反應率比之前核天體物理學反應彙編 (Nuclear Astrophysics Compilation of Reactions)數據庫中的推薦值大了5.4至7.4倍,並且將之前該溫度附近的反應率不確定度從幾個數量級縮小至50%左右,極大地降低了該反應率在天體網絡計算中所引起的誤差。

同時,與天體物理學家合作,研究了新反應率在第一代星中的影響,計算顯示該反應從碳氮氧循環突破出去的概率比之前預想的要大七倍左右,解釋了第三星族恆星SMSS0313-6708中觀測到的鈣含量問題。

新的反應率數據強有力地支持了第一代星的弱超新星爆模型,排除了其它天體模型的可能性。另外,在攝氏一千萬度的溫度環境下,新反應率比之前推薦的要大二百倍左右,因此對於低溫環境下的恆星演化必將產生重要的影響。

錦屏深入地下核天體物理實驗裝置的成功開展證明它具備進行深入地下核天體物理研究的能力。為未來的核天體物理學研究提供新途徑。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、建立恆星模型以及觀測等。

【圖:北京師範大學;文:節錄自科學網頁;新聞資訊由林景明提供】 研究全文刊登在2022年10月26日出版的《自然》期刊;標題是:Measurement of ¹⁹F(p, γ) ²⁰Ne reaction suggests CNO breakout in first stars

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