古老恒星中的钙，从何而来？

古老恒星中，不同寻常的钙丰度

能够直接观测宇宙中的第一代恒星，一直是天文学领域最大的任务之一。宇宙中的第一批恒星也被称为第三星族星或原初恒星，它们是由大爆炸留下的原始物质形成的，很可能产生于大爆炸后的约1亿到2.5亿年。

第三星族星几乎完全由轻元素氢和氦组成。不过，一些更重的元素，已经在一颗古老恒星的大气中被检测到了。这颗恒星的编号为SMSS0313-6708，是迄今为止发现的最古老的恒星之一，距离地球只有6000光年之远。

然而，天文学家发现，SMSS0313-6708所含的钙元素丰度，似乎超出了我们对这类早期恒星的预期。已提出古老恒星中的钙的产生机制，无法解释观测到的丰度。这让天文学家们感到困惑，并开始寻找钙等更重元素的其他形成途径。

在一项新的研究中，一组中国科学家在一个深埋于地底2400多米的实验室中，进行了一项核聚变实验。通过这项实验，他们重现了发生在古老恒星中的一个重要的、能促进钙等重元素产生的特殊核反应，为SMSS0313-6708中不同寻常的钙丰度提供了一种解释。

现在，研究结果已被发表在了《自然》杂志上。

窥探最早的恒星和星系

我们知道，恒星就是宇宙中的核聚变反应堆，负责产生宇宙中大多数比氦重的元素。最初，恒星会通过燃烧其核心的氢气，将其转化为氦来产生能量。随着恒星的演化，氦核可以聚变产生碳和氧，然后再经过更多的聚变反应产生更重的元素。

不过，这样的过程与恒星的初始大小有关。质量约为太阳的8~10倍的恒星，会以爆炸成为“超新星”而终结这种反应周期。在爆炸过程中，新产生的化学元素会被高速喷射到星际空间里，在周围区域播撒下可以形成下一代恒星的气体“种子”。

根据天文学家的推测，SMSS0313-6708是一颗极贫金属星，是宇宙大爆炸后形成的第一代恒星的“直接后代”。通过模拟发生在如SMSS0313-6708这样的恒星核心中的核聚变反应，了解它们的反应速率，就有望揭示第一代恒星的一些主要性质，从而帮助我们了解最早的恒星和星系。

然而，在天体物理学家们试图重现发生在恒星中的核聚变反应时，面临的最大挑战之一就是抵达地球的宇宙辐射的影响。这些辐射会在精密的核物理实验仪器中产生不必要的背景噪声，从而掩盖了物理学家真正想要寻找的信号。

比预想中强烈的“爆发”反应

减少背景噪声的一种方法就是在地底深处进行实验。世界上只有少数几个实验室可以进行这样的实验，位于中国四川省的锦屏地下实验室（CJUL）就是其中之一。它是一个被厚达2400米的岩层覆盖的地下隧道，是目前世界上最深的核天体物理实验室，可以在很大程度上隔绝来自太空和地面的放射性粒子的干扰，使得背景噪声非常微弱。

从更早的一些研究中，科学家就已经知道氟-19（氟的一种同位素）在古老恒星的内部扮演着重要角色。因此，在这项新的研究中，科学家们将焦点放在这样一个与氟-19有关的核反应上：一个氟-19与一个质子聚变产生一个氖-20同位素和一个γ射线。

氟-19核与质子融合的两种方式。（图片来源：Nature）

其实，当氟-19被质子撞击时，除了可以发生上述的会产生氖同位素的反应之外，还可以发生另一种类型的反应，那是一种会产生氧同位素的反应：在这种反应中，一个氟-19核和一个质子的聚变会产生一个α粒子（也称为氦-4核，由两个质子和两个中子组成）和一个氧-16。

这两种反应对恒星内部的化学物质的产生有着截然不同的影响：产生氧同位素的反应不会产生更重的元素，而是会循环返回到生产较轻的元素；而生成了氖-20的反应，则会引发一种“爆发”机制，使恒星能够锻造出更重的元素。

过去的大多数研究表明，在恒星中，这种“爆发”反应比产氧反应要弱得多，其反应速率估计只有产氧反应速率的1/4000左右。但是在CJUL的独特条件下，研究人员发现这种“爆发”反应的反应速率其实比预期的要强烈得多。

他们通过向固体氟-19发射高强度的质子束，证明了在相应的恒星温度下，通过氟-19和质子的聚变产生氖-20的，比之前的估计的要高7.4倍。这样的爆发反应速率可以合理地解释SMSS0313-67086中丰富的钙含量。在这种机制下，在恒星演化的早期，轻元素（如碳和氧）在产生后，有一系列的质子捕获反应可以产生丰富的重元素。

核天体物理+精密天文观测

新测得的反应速率，为旨在了解银河系在形成后，立即爆炸为超新星的那些恒星的性质的恒星模拟研究，提供了关键的信息。它意味着，在恒星的氢燃烧过程中，发生了比之前认为的更强烈的爆发反应。

这种在地下进行的核天体物理实验室，为研究人员模拟宇宙中的恒星提供了宝贵的信息，这是以前在地面实验室上无法实现的。现在，这些实验已经达到很高的精度，通过与韦布空间望远镜等精密天文台的相辅相成，相信人类对恒星演化的探索，即将进入一个令人兴奋的新时代。

参考来源：

https://www.vice.com/en/article/v7vx93/scientists-conducting-nuclear-fusion-tests-deep-under-a-mountain-discover-secrets-of-first-stars

https://www.nature.com/articles/d41586-022-03367-3

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05230-x

封面图&首图：eli007 / Pixabay