第一代恒星内的原子核反应

                                              第一代恒星内的原子核反应

                                                             施郁

古老的恒星，即所谓贫金属星（氢和氦以外的元素含量很少）中，钙元素特别多，理论上认为，这来自第一代恒星（即所谓第三星族恒星）死亡后发生的弱超新星爆发，而第一代恒星中的钙又源于一系列叫做越狱反应的原子核过程，首先是氟核俘获质子，产生光子和氖。通过这个反应，恒星从碳氮氧循环中“越狱”，以致产生钙。碳氮氧循环指一连串原子核反应的循环，其中碳、氧、氮充当了催化剂的角色，净结果是4个质子转换为1个α粒子（即氦核）、2个正电子、2个电子型中微子和光子。

能否越狱，不但取决于氟的丰度，也取决于氟与质子的这个反应与另一种反应（产生α粒子和氧，包括3个通道：仅有这两个粒子；伴随产生光子；伴随产生π介子）的反应率的比值。这个比值大于8，钙元素产生和弱超新星理论才能成立。

氟是宇宙中奇特的元素，很容易与宇宙中丰富的质子和氦核（即α粒子）发生核反应，除了第一代恒星中的越狱反应，缺席恒星里主要的原子核反应。

2021年，美国鹿特丹大学的deBoer等人分析了氟与质子的这两个核反应的70年的数据，发现越狱反应（产生光子和氖）的反应速率存在很大不确定性，这给弱超新星模型和钙的起源带来了不确定性[64,65]。 

@physics.aps.org

也在2021年，中国原子能科学研究院牵头的锦屏深地核天体物理实验（JUNA）精确测量了产生α粒子和氧（伴随产生光子）的反应速率 [66,67]。

@physics.aps.org

期待他们再接再厉，测量出越狱反应（产生光子和氖）以及产生α粒子和氧的另两个通道（仅有这两个粒子；伴随产生π介子）的反应速率。

参考文献

[64] R. deBoer et al., “19F(p, g)20Ne and 19F(p, ag)16O reaction rates and their effect on calcium production in Population III stars from hot CNO breakout,” Phys. Rev. C 103, 055815 (2021)

[65] Michael Schirber, Uncertainty over First Stars, May 26, 2021 | Physics 14, s66

[66] L. Y. Zhang et al., “Direct measurement of the astrophysical 19F(p, ag)16O reaction in the deepest operational underground laboratory,” Phys. Rev. Lett. 127, 152702 (2021). 

[67] Christopher Crockett, Pinning Down the Fate of Fluorine The first results from the Jinping Underground Nuclear Astrophysics particle accelerator refine a key reaction rate for the destruction of fluorine in stars. October 7, 2021 | Physics 14, s124