浩瀚宇宙和璀璨繁星是如何形成的？千百年來，人類孜孜不倦地探尋著答案。
近日，錦屏深地核天體物理實驗（簡稱JUNA）釋出了首批4個核天體物理關鍵反應實驗研究成果。
這是由中國原子能科學研究院牽頭的我國首個深地核天體物理實驗專案。其系列成果為理解宇宙元素起源和恆星演化提供了重要資料，使我國深地核天體物理研究躋身國際先進行列。本期《天目Tech+》採訪了JUNA實驗平臺負責人連鋼。
JUNA團隊 圖源：受訪者
核天體物理
揭開宇宙演化的奧秘
提起核天體物理，不少人的第一反應是神秘。
這是一門用原子核物理知識解釋天體演化過程的交叉學科。它透過模擬天體核反應過程，引領人們不斷加深對宇宙的認識。
連鋼介紹，宇宙大爆炸之初，只是一團高溫高密的基本粒子，還沒有任何化學元素。
而後，宇宙迅速膨脹，溫度不斷下降。大爆炸10秒後，原初核合成產生了氫和氦以及極少量鋰的原子核，宇宙中的第一批元素就此產生。
其他重元素是如何形成的？目前科學界普遍認為，這與恆星內部核聚變反應密不可分。
在引力的作用下，宇宙中瀰漫的原始氣體星雲開始坍縮，其核心凝聚成超熱的氣體球，並不斷坍縮使溫度一步步升高，直到引發核過程，點亮第一代恆星。數百萬年間，這些恆星透過“燃燒”氫發光發熱，同時生成氦。
當恆星內部的氫“燃燒”殆盡時，恆星在引力作用下繼續收縮，導致核心溫度密度進一步升高。當達到一定溫度時，核心中的氦被“點燃”，繼而從氦到碳，再從碳到氧……恆星進入快速演化階段，一直到最後核心生成最穩定的鐵元素，恆星也走到了生命的盡頭。
此時，由於核聚變無法再釋放能量，引力作用使得恆星快速向中心塌陷，直到形成一個極其緻密的核心。突然停止的塌陷將產生強烈的反彈激波，把外層物質甩到宇宙中，只留下一個緻密的核心，這就是超新星爆發。
這一過程將釋放巨大的能量，恆星也會變得異常明亮。我國東漢時期觀測到的“客星”就是人類歷史上最早的超新星爆發記錄。超新星爆發後，緻密的核心演化成中子星或黑洞，而爆發的外層物質在巨大能量下，會生成比鐵更重的所有元素，散佈在周圍空間，成為下一代恆星的種子。
“宇宙彷彿一口充滿魔力的大鍋，在138億年的漫長歲月裡烹飪出了各種神奇的物質形態和豐富多彩的元素。”連鋼說。
JUNA-400 kV加速器實驗平臺 圖源：受訪者
深地實驗室
在大山深處仰望星空
核反應孕育了種種化學元素，也驅動著恆星的演化。但是恆星的演化過程和元素的丰度分佈，還有很多的未解之謎。
由於恆星演化過程中的核反應，發生機率非常低。加上受宇宙線的影響，在地面實驗室開展核天體物理，很難實現對核反應的直接測量。
這就如同要在燈火輝煌處，捕捉一抹瑩瑩燭光。為此，科學家將目光投向2400米的地下。在錦屏深地實驗室裡，厚厚的岩層猶如一塊巨大的幕布，隔絕了宇宙線的“光芒”。
連鋼介紹，這裡的宇宙線比地面上降低了約一億倍，對宇宙線的遮蔽效果比義大利地下核天體實驗室還要好大約100倍。
JUNA示意圖 圖源：受訪者
然而，擁有得天獨厚的環境還遠遠不夠。對此，連鋼深有體會：“從實驗裝置到構成裝置的材料，再到探測器自身本底和反應靶純度，任何一個微小的瑕疵都會讓整個實驗前功盡棄。”
經過近6年的攻堅克難，JUNA團隊成功研製了世界最強流的深地加速器、最先進的探測器陣列和高功率反應靶，同時發展了極低本底水平的深地測量技術。
它們能模擬宇宙中恆星內部不斷髮生的核聚變反應，猶如一個“迷你小宇宙”。
具體而言，在高壓電場的作用下，加速器會將帶電粒子加速到接近光速。而後，這些粒子如同子彈一般，打到高功率反應靶上，轟擊目標原子核。一旦核反應發生，這個微弱的訊號就會被靈敏的探測器陣列接收並放大，發出點點微光。
2020年12月26日，JUNA強流加速器裝置出束打靶。錦屏深地核天體實驗迎來第一縷深地之“光”。
JUNA首席科學家柳衛平宣佈JUNA成功出束 圖源：受訪者
四項新成果
核天體物理實驗彎道超車
時隔一年，2021年12月18日，錦屏深地核天體物理實驗（簡稱JUNA）釋出首批4個實驗成果。
JUNA實驗實現了國際核天體物理直接測量的最大曝光量、最寬能量範圍和最高靈敏度。至此，我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，而JUNA的深地實驗平臺則達到了世界最高測量靈敏度。
其中，對伽馬射線天文學的測量實現了最高精度，成為科學通報的封面成果。氟丰度反應進入到天體物理能區，獲得物理評論雜誌的編輯推薦。中子源反應首次全面覆蓋天體物理i-過程反應能區，獲得最精確的反應率。
值得一提的是，JUNA專案還向被譽為核天體物理“聖盃”的從碳到氧反應邁出了堅實的一步。
“聖盃反應的機率大小直接決定了宇宙中碳元素和氧元素的比例和大質量恆星演化的命運。”連鋼說。
不過，該反應機制複雜，發生機率極其微小，實驗測量非常困難，堪稱核天體物理界的“珠穆朗瑪峰”。而JUNA對聖盃反應的直接測量接近天體物理能區，達到了世界最高靈敏度。
“JUNA專案開啟了我國的深地核天體物理實驗的大門，將核天體物理實驗帶入了一個全新的領地。未來，JUNA二期MV級加速器的建立將讓我們探索的腳步邁向宇宙更深處。”連鋼說。
