星空万象

宇宙起源于一次极其猛烈的大爆炸，也就是说，宇宙是“炸”出来的。这是宇宙大爆炸理论对于“宇宙从何而来、如何产生”这一问题的回答。而对宇宙大爆炸理论的逐步认识，又催生出一系列与人类密切相关的根本性问题——人类生活的地球上，构成物质世界的元素是怎么产生的？太阳辐射的能量究竟源于哪里？这些都是核天体物理研究的范畴，这一学科将微小到肉眼看不到的原子核，同浩瀚宏大的宇宙天体紧密地联系在一起。

来源：视觉中国

微小的原子核与宏大的宇宙天体紧密联系

人类生活在地球上已有200万年的历史，在近五六千年的历史长河中创造了璀璨的地球文明。然而，关于构成物质世界的这些元素是怎么产生的？这个问题一直没有一个科学的回答，直到核天体物理这门科学诞生。

核天体物理是核物理学和天体物理学交叉形成的前沿科学，主要通过微观层次的核反应来研究构成物质世界元素的起源以及天体内部的核引擎如何驱动天体演化。它将微小到肉眼看不到的原子核同浩瀚宏大的宇宙天体紧密地联系在一起。

核天体物理与构成生命以及承载人类生活的客观世界的物质本源息息相关。如碳-12中著名的霍伊尔态激发态能量10%的微小变化就会使重元素、行星和我们所知的生命全部消失。毫不夸张地说，人类与核天体物理从宇宙创生那一刻起就一直紧密相连，所以该学科自诞生以来一直被科学界确立为高度优先的前沿科学。欧美国家长期以来一直把核天体物理作为最重要的基础研究课题之一。

核天体物理研究萌芽于20世纪初，诱因是科学家发现太阳已经辐射几十亿年，如此持久的能量究竟来源于哪里？关于这个问题，美国科学家汉斯·贝特1938年给出了答案——核反应为太阳提供了绵绵不绝的能量，他也因此获得1967年的诺贝尔物理学奖。核天体物理另一标志性工作是美籍俄裔物理学家乔治·伽莫夫1948年提出的宇宙大爆炸模型，该过程产生了构成物质世界最原始最基础的元素——氢氦锂。1957年，英国著名天文学家弗雷德·霍伊尔、伯比奇夫妇（杰佛瑞·伯比奇和玛格丽特·伯比奇）、美国物理学家威廉·福勒四人（简称B2FH）一起发表了著名论文“恒星中的元素合成”，该论文是核天体领域又一里程碑式的工作，威廉·福勒因在元素起源研究中的贡献获得1983年的诺贝尔物理学奖。此后，随着天文学家观察到一个又一个奇异的天体现象，大大刺激了核天体物理的发展，使之进入了黄金时代。

在过去的半个世纪里，科学家们在核天体相关领域取得了辉煌的成绩，诸如大爆炸理论得到宇宙微波背景辐射等多重观测证据的支持，太阳中微子丢失是源于中微子振荡，发现的超新星以及X-射线暴等极端天体现象极大地增进了人们对天体核合成场所的了解，科学家成功探测到引力波并探明双中子星并合是产生宇宙重元素的重要场所等等。

如今，核天体物理的发展已枝繁叶茂，一些基础的框架性科研工作已经基本建立。当前核天体前沿发展需要科研人员在更细分、深入的领域突破创新。诸如：1.中微子的质量是多少，它们如何影响宇宙的演化？2.重元素源于哪些天体场所，相对贡献分别为多大？在银河系和宇宙的历史中它们如何演变？3.大质量恒星如何引发超新星爆炸？4.大爆炸后第一代恒星中的核反应能够产生哪些元素？5.光子、中微子、引力波和星尘能告诉我们恒星的哪些故事？6.中子星内部状态是什么样？

我国核天体物理研究开始于20世纪90年代，尽管起步较晚，但是最近20多年取得了长足进步和丰硕成果，在一些方向上达到国际前沿水平。例如：中国科学院近代物理研究所实验团队基于兰州重离子加速器国家实验室冷却储存环（CSR），从2011年开始，开展一系列缺中子短寿命原子核质量的高精度测量，为全面理解天体X-射线暴快质子俘获过程作出了重要贡献；基于兰州放射性束流线（RIBLL）开展突破碳氮氧循环关键反应的天体反应率测量；理论团队在宇宙大爆炸锂丰度难题提出了非广延解决方案，引起国际广泛关注。

中国原子能科学研究院从20世纪90年代开始利用转移反应间接测量方法测量了一批重要反应的天体反应率，部分被国际核反应率数据库收录并列为推荐值。2016年开建的锦屏深地核天体物理实验平台（JUNA）已于2020年底成功出束，为需要低本底的高灵敏度直接测量实验提供可能，目前已完成首批重要核反应截面直接测量，取得丰硕成果。

上海交通大学以及中国工程物理研究院基于国内激光装置开展轻核聚变反应的截面测量，掀起国内利用激光装置测量天体反应率的热潮。上海同步辐射光源对极端天体环境中伽马光子与物质相互作用的研究提供有利条件。未来坐落在广东惠州的新一代强流重离子加速器装置（HIAF）在研究产生重元素的快中子俘获过程中将会大展身手。随着国家对基础科研支持力度的不断加强，国内核天体物理的发展必将突飞猛进。

（作者：侯素青 中国科学院近代物理研究所副研究员）

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