探究天体的奥秘——我国核天体物理发展概述

探究天体的奥秘——我国核天体物理发展概述


2013-08-29


“我们来自星际的碎片”，美国著名科学家卡尔•萨根曾这样说。
在浩瀚无垠的宇宙中，无数闪闪发光的恒星都要经历一个形成、演化、死亡的缓慢过程。这些星体发光发热的能量来自其内部发生的热核聚变反应。这不断发生的核过程为自然界所有化学元素提供了赖以生成的土壤。由此可见，我们存身的太阳系、地球乃至我们自己都是天体核过程反复炮制的产物。
探索这一奇妙过程及其内在规律的学科称为核天体物理，它将研究微观世界的核物理与研究宏观世界的天体物理融合起来，主要运用核物理的知识和规律阐释宇宙中各种化学元素及其同位素核合成的过程、时间、物理环境及丰度分布和核过程对恒星结构及演化进程的影响。核天体物理是一门令人振奋的重大交叉学科，在国际上一直作为物理学的一个重要方向而备受关注，被列为基础科学研究的前沿领域之一。美国的20年科学发展规划中也将核天体物理列为核科学研究的前沿方向之一。
开创我国实验核天体物理研究领域
我国的实验核天体物理研究起步于上世纪90年代初期。在核工业总公司（中国核工业集团公司前身）科研基金的资助下，中国原子能科学研究院于1993年建成了我国第一个放射性次级束流装置GIRAFFE，并成功产生了6He、7Be、11C等多种低能放射性束流，填补了我国放射性核束物理与核天体物理研究装置的空白。
以串列加速器和次级束流线为基础，原子能院开创了我国实验核天体物理研究领域。经过十多年的研究工作，原子能院完成了一系列核天体物理重要反应的测量。1996年，原子能院首次利用渐进归一化系数方法确定了产生高能太阳中微子的7Be(p,γ)8B反应的截面，证实了7Be(p,γ)8B反应截面不是造成太阳中微子丢失的结论。 2005年，首创了s波中子辐射俘获反应截面测量的新方法，该方法随后被巴西圣保罗大学和美国圣母大学研究组在多项工作中所采用；利用该方法首次测定了对Ⅱ型超新星爆发快速中子俘获过程和大爆炸原初核合成有重要意义的8Li(n, γ)9Li反应率，“消除了8Li(n, γ)绝对截面的长期分歧”。2012年，采用截面较大的转移反应替代天体物理能区截面极小的(α, n)反应的思路，测量了对宇宙重元素产生之谜有重要意义的13C(α, n)16O反应的激发函数和反应率，澄清了国际上现有结果间高达25倍的分歧，被国际同行评价为“解决这项分歧的里程碑”。
我国的核天体物理研究从无到有、从小到大，在国家自然科学基金、科技部“973”、核工业基金和中科院相关项目的资助下，得到了长足的发展，并在国际核天体物理学界占有了一席之地。2011年，由原子能院领衔、中科院近代物理所与国家天文台参与的“元素核合成中的关键科学问题研究”合作团队被国家自然科学基金委员会授予“创新研究群体”，这也是核天体物理领域的首个创新研究群体项目。
占领核天体物理研究前沿
许多天体过程涉及到大量短寿命原子核，因此，核天体物理研究的需求也极大地推动了国际上放射性核束物理及大科学装置的发展。美国的放射性稀有离子束装置FRIB、德国的反质子与离子研究装置FAIR和日本的放射性离子束工厂RIBF都将核天体物理作为重要科学目标之一。
在核物理大科学装置方面，我国也取得了重要成就。中科院近代物理所于1997年建成了中能放射性次级束流装置RIBLL，2007年建成了重离子加速器冷却储存环CSR，成为国际上继德国GSI之后又一个大型重离子冷却储存环装置。上海同步辐射光源已于2009年运行，北京放射性核束设施BRIF将于2014年竣工，近物所重离子加速器装置HIAF也已经立项。原子能院与北京大学还联合提出了北京ISOL装置的建议书。这些大科学装置的建成将为我国及国际核天体物理的发展带来新的机遇。
与此同时，我国也在积极推进地下核天体物理实验室建设工作。在深地实验室开展关键天体物理核反应的精确测量是国际公认的前沿课题，也是核天体物理未来发展不可或缺的重要方向。目前，原子能院已与有关单位着手建立深地核天体物理实验室，这将为国际上开展天体物理核反应精确测量提供一个顶级的新平台。
2012年，我国国家自然科学基金委员会（以下简称基金委）与中国科学院联合发布了“未来10年中国学科发展战略•物理学”的指南，明确提出了核天体物理是未来10年物理学的重要发展领域之一。此外，基金委与中国科学院联合制定并将于2014年完成的“核物理与等离子物理发展战略”中也将核天体物理列为重要发展领域之一。
核天体物理不仅有着辉煌的发展历史，如今仍是国际物理学中一个极其引人注目的前沿领域，必将在未来孕育重大发现。（郭冰李志宏 白希祥 柳卫平）
延伸阅读：核天体物理发展史
核天体物理的形成与发展可以追溯到上世纪30年代。
1939年，美国科学家贝特提出恒星的能源来自它的内部氢核聚变成氦核的热核反应。贝特帮助天文学家们弄清了恒星能源问题，并因此荣获了1967年度诺贝尔物理学奖。但是，他没有回答恒星在氢燃烧之后如何演化，以及氢和氦以外的化学元素如何生成的问题。
二战后，美国科学家福勒与博比奇夫妇、霍伊尔对恒星演化过程中的核反应进行了系统的实验和理论研究，提出了恒星中的八种核合成过程。1957年，他们合作发表了关于恒星中元素合成的研究成果，即著名的B2FH（四个作者姓的首字母）论文，它被誉为“核天体物理的圣经”。由于福勒在核天体物理领域的卓越贡献，他获得了1983年度诺贝尔物理学奖。
1960年代末，美国科学家戴维斯开始进行最早的太阳中微子实验，然而探测到的电子中微子只有标准太阳模型预言的1/3，因此引发了著名的“太阳中微子丢失之谜”。1987年到1990年初，日本科学家小柴昌俊领导的神冈实验也发现了同样的现象，进一步确立了太阳中微子丢失疑难。该疑难的一个可能解释是：产生高能太阳中微子的7Be(p,γ)8B反应的截面数据不正确。为了验证这个猜想，包括中国原子能科学研究院在内的众多科研机构纷纷对该反应截面进行了测量，实验结果证明7Be(p,γ)8B反应截面不是造成太阳中微子丢失的原因。研究人员开始考虑另一个可能解释：太阳内部产生的电子中微子到达地球上的探测器以前，可能发生了味态转换（转换为μ子或τ子中微子），即发生了中微子振荡。2001年，加拿大科学家采用了重水作为探测介质，清晰地探测到并区分了电子中微子和其它两种味道的中微子，证实了太阳中微子的丢失源于中微子振荡的猜想。“太阳中微子丢失之谜”的提出并解释，是核天体物理领域取得的突出成就。戴维斯与小柴昌俊二人也因此获得了2002年度诺贝尔物理学奖。
2003年，美国国家研究理事会归纳了新世纪物理学的11个重大科学问题，其中三个与核天体物理密切相关：1.中微子的质量是多少，它们是如何影响宇宙演化的？2.超高温度和密度条件下有什么新的物质形态？3.从铁到铀的重元素是怎样产生出来的？此外，美国在2007年发布了核科学的长程计划，其中包括2个核天体物理问题：1.宇宙元素的起源是什么？2.驱动恒星演化和爆发的核反应是什么？
2010年，欧洲也发布了自己的核科学长程计划，其中包括3个核天体物理问题：1.元素来自何方并如何产生？2.在地球上如何重现并研究驱动恒星演化和合成新元素的核反应？3.核反应如何影响恒星的命运？ 来源：中核网






http://www.dsti.net/Information/Viewpoint/63132探究天体的奥秘——我国核天体物理发展概述


2013-08-29


“我们来自星际的碎片”，美国著名科学家卡尔•萨根曾这样说。
在浩瀚无垠的宇宙中，无数闪闪发光的恒星都要经历一个形成、演化、死亡的缓慢过程。这些星体发光发热的能量来自其内部发生的热核聚变反应。这不断发生的核过程为自然界所有化学元素提供了赖以生成的土壤。由此可见，我们存身的太阳系、地球乃至我们自己都是天体核过程反复炮制的产物。
探索这一奇妙过程及其内在规律的学科称为核天体物理，它将研究微观世界的核物理与研究宏观世界的天体物理融合起来，主要运用核物理的知识和规律阐释宇宙中各种化学元素及其同位素核合成的过程、时间、物理环境及丰度分布和核过程对恒星结构及演化进程的影响。核天体物理是一门令人振奋的重大交叉学科，在国际上一直作为物理学的一个重要方向而备受关注，被列为基础科学研究的前沿领域之一。美国的20年科学发展规划中也将核天体物理列为核科学研究的前沿方向之一。
开创我国实验核天体物理研究领域
我国的实验核天体物理研究起步于上世纪90年代初期。在核工业总公司（中国核工业集团公司前身）科研基金的资助下，中国原子能科学研究院于1993年建成了我国第一个放射性次级束流装置GIRAFFE，并成功产生了6He、7Be、11C等多种低能放射性束流，填补了我国放射性核束物理与核天体物理研究装置的空白。
以串列加速器和次级束流线为基础，原子能院开创了我国实验核天体物理研究领域。经过十多年的研究工作，原子能院完成了一系列核天体物理重要反应的测量。1996年，原子能院首次利用渐进归一化系数方法确定了产生高能太阳中微子的7Be(p,γ)8B反应的截面，证实了7Be(p,γ)8B反应截面不是造成太阳中微子丢失的结论。 2005年，首创了s波中子辐射俘获反应截面测量的新方法，该方法随后被巴西圣保罗大学和美国圣母大学研究组在多项工作中所采用；利用该方法首次测定了对Ⅱ型超新星爆发快速中子俘获过程和大爆炸原初核合成有重要意义的8Li(n, γ)9Li反应率，“消除了8Li(n, γ)绝对截面的长期分歧”。2012年，采用截面较大的转移反应替代天体物理能区截面极小的(α, n)反应的思路，测量了对宇宙重元素产生之谜有重要意义的13C(α, n)16O反应的激发函数和反应率，澄清了国际上现有结果间高达25倍的分歧，被国际同行评价为“解决这项分歧的里程碑”。
我国的核天体物理研究从无到有、从小到大，在国家自然科学基金、科技部“973”、核工业基金和中科院相关项目的资助下，得到了长足的发展，并在国际核天体物理学界占有了一席之地。2011年，由原子能院领衔、中科院近代物理所与国家天文台参与的“元素核合成中的关键科学问题研究”合作团队被国家自然科学基金委员会授予“创新研究群体”，这也是核天体物理领域的首个创新研究群体项目。
占领核天体物理研究前沿
许多天体过程涉及到大量短寿命原子核，因此，核天体物理研究的需求也极大地推动了国际上放射性核束物理及大科学装置的发展。美国的放射性稀有离子束装置FRIB、德国的反质子与离子研究装置FAIR和日本的放射性离子束工厂RIBF都将核天体物理作为重要科学目标之一。
在核物理大科学装置方面，我国也取得了重要成就。中科院近代物理所于1997年建成了中能放射性次级束流装置RIBLL，2007年建成了重离子加速器冷却储存环CSR，成为国际上继德国GSI之后又一个大型重离子冷却储存环装置。上海同步辐射光源已于2009年运行，北京放射性核束设施BRIF将于2014年竣工，近物所重离子加速器装置HIAF也已经立项。原子能院与北京大学还联合提出了北京ISOL装置的建议书。这些大科学装置的建成将为我国及国际核天体物理的发展带来新的机遇。
与此同时，我国也在积极推进地下核天体物理实验室建设工作。在深地实验室开展关键天体物理核反应的精确测量是国际公认的前沿课题，也是核天体物理未来发展不可或缺的重要方向。目前，原子能院已与有关单位着手建立深地核天体物理实验室，这将为国际上开展天体物理核反应精确测量提供一个顶级的新平台。
2012年，我国国家自然科学基金委员会（以下简称基金委）与中国科学院联合发布了“未来10年中国学科发展战略•物理学”的指南，明确提出了核天体物理是未来10年物理学的重要发展领域之一。此外，基金委与中国科学院联合制定并将于2014年完成的“核物理与等离子物理发展战略”中也将核天体物理列为重要发展领域之一。
核天体物理不仅有着辉煌的发展历史，如今仍是国际物理学中一个极其引人注目的前沿领域，必将在未来孕育重大发现。（郭冰李志宏 白希祥 柳卫平）
延伸阅读：核天体物理发展史
核天体物理的形成与发展可以追溯到上世纪30年代。
1939年，美国科学家贝特提出恒星的能源来自它的内部氢核聚变成氦核的热核反应。贝特帮助天文学家们弄清了恒星能源问题，并因此荣获了1967年度诺贝尔物理学奖。但是，他没有回答恒星在氢燃烧之后如何演化，以及氢和氦以外的化学元素如何生成的问题。
二战后，美国科学家福勒与博比奇夫妇、霍伊尔对恒星演化过程中的核反应进行了系统的实验和理论研究，提出了恒星中的八种核合成过程。1957年，他们合作发表了关于恒星中元素合成的研究成果，即著名的B2FH（四个作者姓的首字母）论文，它被誉为“核天体物理的圣经”。由于福勒在核天体物理领域的卓越贡献，他获得了1983年度诺贝尔物理学奖。
1960年代末，美国科学家戴维斯开始进行最早的太阳中微子实验，然而探测到的电子中微子只有标准太阳模型预言的1/3，因此引发了著名的“太阳中微子丢失之谜”。1987年到1990年初，日本科学家小柴昌俊领导的神冈实验也发现了同样的现象，进一步确立了太阳中微子丢失疑难。该疑难的一个可能解释是：产生高能太阳中微子的7Be(p,γ)8B反应的截面数据不正确。为了验证这个猜想，包括中国原子能科学研究院在内的众多科研机构纷纷对该反应截面进行了测量，实验结果证明7Be(p,γ)8B反应截面不是造成太阳中微子丢失的原因。研究人员开始考虑另一个可能解释：太阳内部产生的电子中微子到达地球上的探测器以前，可能发生了味态转换（转换为μ子或τ子中微子），即发生了中微子振荡。2001年，加拿大科学家采用了重水作为探测介质，清晰地探测到并区分了电子中微子和其它两种味道的中微子，证实了太阳中微子的丢失源于中微子振荡的猜想。“太阳中微子丢失之谜”的提出并解释，是核天体物理领域取得的突出成就。戴维斯与小柴昌俊二人也因此获得了2002年度诺贝尔物理学奖。
2003年，美国国家研究理事会归纳了新世纪物理学的11个重大科学问题，其中三个与核天体物理密切相关：1.中微子的质量是多少，它们是如何影响宇宙演化的？2.超高温度和密度条件下有什么新的物质形态？3.从铁到铀的重元素是怎样产生出来的？此外，美国在2007年发布了核科学的长程计划，其中包括2个核天体物理问题：1.宇宙元素的起源是什么？2.驱动恒星演化和爆发的核反应是什么？
2010年，欧洲也发布了自己的核科学长程计划，其中包括3个核天体物理问题：1.元素来自何方并如何产生？2.在地球上如何重现并研究驱动恒星演化和合成新元素的核反应？3.核反应如何影响恒星的命运？ 来源：中核网






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