“十五五”规划纲要提出“加强新兴领域、交叉融合和跨学科基础研究，聚焦宏观、极微观、极端条件、综合交叉的科学前沿”。 2021年，习近平总书记在两学会会员大会和中国科协第十次代表大会上表示，“高技术战略领域实现新跨越，积极抢占深海、深空、深地、深蓝等领域科技卓越高地”。其中，“成功发射全球最强深核天体物理加速器”，是地球深部领域的重大成果，由刘卫平院士担任首席研究员的锦屏深部核天体物理实验项目（JUNA）团队研制。什么是核天体物理学？世界卫生大会地球深处的科学研究有多重要？本期“学术科普讲座”，我们邀请中国科学院院士、南方科技大学校长、中国原子能研究院研究员刘卫平带我们深入2400米地下，体验“宇宙之光”。 ——编者照片①：刘卫平院士（右二）及其团队。照片：王选 照片②：锦屏深核天体物理加速器。中国原子能研究院供图。金平深地核天体物理实验项目示意图。中国原子能研究院供图 2020年12月，四川锦屏山地下2400米深处，一个白点发出耀眼光芒：锦屏深地核天体物理加速器成功发射光束。这就是“宇宙之光”“e”可以揭示生命的起源。我们从哪里来？人类自古以来就在思考这个问题。经过近一个世纪的探索，科学家们终于找到了宇宙如何开始的蓝图。大约138亿年前，奇点大爆炸开始了万物的演化。然而，围绕着宇宙的演化，仍然有无数未解之谜。构成物质世界的数百种元素从何而来？这些元素与地球之间有何关系？人类能否在地球上重现宇宙的演化并解开这些基本谜团？进入地下2400米的实验室，探究其最深处的演化，发现生命起源的密码。核天体物理学是基于恒星能量的研究领域。清晰的物理解释元素的形成和元素的演化。简单来说，这意味着用极小的原子核来解释宇宙演化的巨大规律。推动宇宙演化的巨大能量也是由微观世界的核反应产生的。核反应和煤炭燃烧引起的化学反应虽然看起来很相似，但实际上是不同的。化学反应改变分子的结构。核反应是指原子核的变化。这种微小的差异导致能量放大数百万倍，足以驱动恒星演化。我们以太阳为例。为什么太阳一直照耀着，而且越来越温暖？太阳内部无数的核聚变反应就像无数氢弹依次引爆，产生光和热。然而氢燃烧后恒星的演化路径及形成机制氢和氦以外的元素长期以来一直困扰着研究人员。对于科学家来说，重建恒星演化的全貌需要重建恒星内部的核反应和衰变过程，就像侦探破案一样。然而，即使是在距离我们最近的恒星太阳上，也很难准确地观测到内部的核反应，更难以测量其核反应的规则。那么是否有可能在地球上创造一个“微观世界”，在天空中还原核物理过程，并揭开恒星诞生和演化的奥秘呢？经过长时间的寻找，科学家们终于发现了一种叫做加速器的工具。该加速器利用静电将带电粒子加速到接近光速，模拟恒星内部的核反应条件。以锦屏加速器为例，离子源就像一个高温烘箱，将所需粒子“汽化”s。当它们受到 400,000 伏高压驱动时，粒子被加速到接近光速的速度。它们通过电磁体“旋转”并撞击反应目标的原子核。通过测量每次核反应的概率，我们可以估算天体中元素的合成速率。产生了许多重要的结果。大爆炸后大约 30 分钟，最初的三种元素被创造出来：氢、氦和锂。经过约4亿年长期稳定的核燃烧，陆续产生了碳、氮、氧、铁等元素，最终形成了地球、太阳乃至整个宇宙的物质基础。为什么要在地下2400米的恒星上进行实验？生产化学元素就像一个“炼金炉”。在演化过程中，恒星在引力的影响下不断向内塌缩，引起中心反应。整体这个过程就像剥洋葱一样。一旦轻核反应完成，恒星就会向内塌缩，下一阶段的核聚变反应就会开始。这个过程产生了元素周期表中铁之前的元素，例如碳和氧，它们是构成生命的最基本元素。科学家们不知道碳转化为氧的核反应发生的速度有多快。这一反应过程被称为核天体物理学的“圣杯”反应。即使有强大的加速器工具，在地球表面寻找“圣杯”反应仍然是一个挑战。为什么要深入地下进行实验？太阳正处于长期持续的核燃烧之中。原子核的相对速度极低，发生核反应的概率极小。在表面上测量这种微弱的信号就像在挤满数万人的喧闹体育场里听两个人窃窃私语。微弱的s核反应产生的信号被数百万或数千万宇宙射线的巨大噪音淹没。这就是“圣杯”反应70多年来一直无法准确测量的根本原因。那么我们如何找到宇宙射线通量极低的环境呢？为了在雅砻江流域建设水电站，水电科学家在四川省雅砻江沿岸锦屏山修建了一条深2400米的隧道。这个深度提供了保护宇宙射线的天然屏障。于是，在政府的支持下，科学家们在导流洞旁边开挖了30万立方米的广阔空间，建成了锦屏深地地球研究所。这不仅为探测暗物质提供了环境，也为测量极不可能的“圣杯”反应创造了理想的条件。 JUNA团队在国家自然科学基金委、中科院和中核集团的支持下，历时七年2017年开发世界上最强大的深核天体物理加速器。该加速器的亮度是意大利格兰萨索深地地球研究所加速器的 10 倍。同时，该团队还研发出了地球深处最精确、最高效的探测器。现在我们已经解决了三块难题：非常明亮的加速器、非常干净的环境和非常高效的检测，最后是时候探索“圣杯”反应了。丰硕成果 点亮“地深之光” 2020年12月26日，一束光照亮了实验荧光屏，点亮了中国核天体物理的“地深之光”。在接下来的四个月里，该团队在天核物理反应方面创造了多项世界纪录，使中国的实验核天体物理研究成为世界上最先进的国家之一。通过这些实验，科学家们发现了许多谜团。人类使用 gam 时能看多远可以用射线观察宇宙吗？为什么天文观测中的氟和钙元素比理论预测的要多？需要多少中子才能产生重元素？相关成果将发表在Physical Review Letters、Nature等国际学术期刊上，并被评为优秀成果，后续研究将陆续发表。 JUNA团队检测“圣杯”反应的测量灵敏度也比相关国际团队研究的灵敏度高出数十倍。 2025年，该团队将利用新建的锦屏设施开始第二批天核物理实验。这些实验将为解决太阳金属丰度和锂缺乏问题提供重要线索。 JUNA团队检测“圣杯”反应的步伐也在加快。未来还有无数的谜团等待着解开。科研人员将继续利用锦屏深地核天体物理实验平台测量更多的核反应速率，研制更大的加速器，探索铁之后重元素的合成路线。同时，这些数据也将用于我国核装置的研发，帮助科学家“走”到太阳系的极限，探索宇宙最深的奥秘。宇宙深处总有令人惊奇的现象等待我们去发现和解释。科学家应该仰望星空，永远保持好奇心，探索未知的奥秘。同时，我们也必须求真务实，表现出决心、勇气和毅力，利用先进的科学仪器，寻找科学奥秘的钥匙，为人类知识的宝库做出贡献。 （作者为中国科学院院士、南方科技大学首席教授、研究员中国原子能研究院.卢少刚报道编辑）
（编辑：何欣）