圖①：柳衛(wèi)平院士（右二）和團(tuán)隊(duì)。 　　王 璇攝 　　圖②：錦屏深地核天體物理加速器。 　　中國(guó)原子能科學(xué)研究院供圖

錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目示意圖。 　　中國(guó)原子能科學(xué)研究院供圖

“十五五”規(guī)劃綱要提出，“圍繞極宏觀、極微觀、極端條件、極綜合交叉的科學(xué)前沿，加強(qiáng)新興領(lǐng)域、交叉融合和跨學(xué)科基礎(chǔ)研究。”

2021年，習(xí)近平總書(shū)記在兩院院士大會(huì)、中國(guó)科協(xié)十大上提到：“戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域取得新跨越。在深海、深空、深地、深藍(lán)等領(lǐng)域積極搶占科技制高點(diǎn)?！逼渲猩畹仡I(lǐng)域的重要成果——“世界最強(qiáng)流深地核天體物理加速器成功出束”，正是柳衛(wèi)平院士作為首席科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)的錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（JUNA）團(tuán)隊(duì)研發(fā)的。

核天體物理是什么？在深地的科學(xué)研究有著怎樣的意義？本期“院士講科普”邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)講席教授、中國(guó)原子能科學(xué)研究院研究員柳衛(wèi)平，帶我們到地下2400米感受“宇宙之光”。

——編者

2020年12月，四川錦屏山下2400米深處，一個(gè)白色光斑發(fā)出耀眼的光芒——錦屏深地核天體物理加速器成功出束。這是一道可能揭示生命起源的“宇宙之光”。

我們究竟從何而來(lái)？從古至今，人類都在思考這個(gè)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的探索，科學(xué)家們終于勾勒出宇宙誕生的大概輪廓：約138億年前，一個(gè)奇點(diǎn)的大爆炸開(kāi)啟了萬(wàn)物的演化之旅。然而，宇宙的演進(jìn)仍有無(wú)數(shù)未解之謎：構(gòu)成物質(zhì)世界的上百種元素從何而來(lái)？這些元素與星辰之間又存在著怎樣的聯(lián)系？人類能否在地球上重現(xiàn)宇宙演化進(jìn)程，破解這些終極奧秘？

讓我們深入2400米的地下實(shí)驗(yàn)室，在極深處探索恒星演化，尋找生命起源的密碼。

用極小的原子核去解釋極大的宇宙

核天體物理，是一門(mén)用原子核物理解釋星體能量產(chǎn)生與元素演化的學(xué)科。通俗而言，就是用極小的原子核，去解釋極大的宇宙演化規(guī)律。

推動(dòng)宇宙演化的巨大能量，也正源自微觀世界中的核反應(yīng)。核反應(yīng)與燃燒煤炭的化學(xué)反應(yīng)看似相近，實(shí)則不同：化學(xué)反應(yīng)中，分子結(jié)構(gòu)改變；核反應(yīng)中，則是原子核的轉(zhuǎn)變。這一微小差異，卻帶來(lái)百萬(wàn)倍的能量放大——足以驅(qū)動(dòng)星體的演化。

以太陽(yáng)為例。為什么太陽(yáng)能持續(xù)發(fā)光發(fā)熱？太陽(yáng)內(nèi)部無(wú)數(shù)次的聚變反應(yīng)，如同無(wú)數(shù)氫彈持續(xù)爆炸帶來(lái)光和熱。然而，恒星在氫燃燒之后的演化路徑，以及氫、氦之外元素的生成機(jī)制，仍困擾研究人員多年。

對(duì)于科學(xué)家而言，要拼湊出恒星演化的完整圖景，必須像“偵探破案”般，還原恒星內(nèi)部的原子核反應(yīng)和衰變過(guò)程。然而，即便是距離我們最近的恒星——太陽(yáng)，要精確觀測(cè)其內(nèi)部核反應(yīng)也困難重重，要測(cè)量它的核反應(yīng)規(guī)律更是一大挑戰(zhàn)。

那么，能否在地球上制造一個(gè)“迷你宇宙”，去還原天體環(huán)境中的核物理過(guò)程，從而破解恒星誕生和演化之謎呢？

科學(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索，終于找到了工具——加速器。

加速器利用靜電將帶電粒子加速至接近光速，模擬恒星內(nèi)部的核反應(yīng)條件。以錦屏加速器為例：離子源猶如一個(gè)高溫爐，將需要的粒子“蒸發(fā)”出來(lái)，在40萬(wàn)伏特高壓驅(qū)動(dòng)下，粒子被加速至接近光速，經(jīng)由電磁鐵“拐彎”，在反應(yīng)靶的地方轟擊原子核，就可以測(cè)量到每次核反應(yīng)產(chǎn)生的概率，進(jìn)而推演天體中元素的合成速率。

憑借這一工具，科學(xué)家已取得諸多重要成果。宇宙大爆炸后約30分鐘內(nèi)，氫、氦、鋰3種元素率先誕生；經(jīng)過(guò)約4億年漫長(zhǎng)、平穩(wěn)的核燃燒，碳、氮、氧一直到鐵等元素相繼生成，最終構(gòu)成地球、太陽(yáng)乃至整個(gè)宇宙的物質(zhì)基礎(chǔ)。

為什么要到地下2400米做實(shí)驗(yàn)

恒星，好比產(chǎn)生化學(xué)元素的“煉丹爐”。演化過(guò)程中，在引力的作用下，恒星不斷向內(nèi)部坍縮，點(diǎn)燃中心核反應(yīng)，整個(gè)過(guò)程像剝洋蔥一樣，輕一些的原子核反應(yīng)結(jié)束后向內(nèi)坍縮，開(kāi)啟下一階段的聚變反應(yīng)。這個(gè)過(guò)程中誕生了位于元素周期表中鐵之前的元素，其中就包括構(gòu)成生命的最基本的元素——碳和氧。

科學(xué)家并不知道從碳到氧的核反應(yīng)過(guò)程究竟有多快。這一反應(yīng)過(guò)程，被稱為核天體物理的“圣杯”反應(yīng)。即便擁有加速器這一利器，在地表探尋“圣杯”反應(yīng)仍存在巨大困難。

為什么要到深地去做實(shí)驗(yàn)？太陽(yáng)處于漫長(zhǎng)而平穩(wěn)的核燃燒中期，原子核相對(duì)速度極低，核反應(yīng)概率微乎其微。在地表測(cè)量這一微弱信號(hào)，猶如在數(shù)萬(wàn)人的嘈雜體育場(chǎng)中傾聽(tīng)兩人的竊竊私語(yǔ)。微弱的核反應(yīng)信號(hào)會(huì)被幾百萬(wàn)倍、幾千萬(wàn)倍宇宙射線的龐大噪聲所淹沒(méi)。這也正是“圣杯”反應(yīng)70多年來(lái)未被精確測(cè)量的根本原因。

那么，如何找到一處宇宙射線通量極低的環(huán)境？

為了建造雅礱江流域的水電站，水利學(xué)家在四川雅礱江邊的錦屏山2400米深處修建了一條隧道。這一深度，恰是屏蔽宇宙射線的天然屏障。于是，在國(guó)家支持下，科學(xué)家在引水隧道旁開(kāi)辟出30萬(wàn)立方米的巨大空間，建成錦屏深地實(shí)驗(yàn)室，既為暗物質(zhì)探測(cè)提供環(huán)境，也為測(cè)量極低概率的“圣杯”反應(yīng)創(chuàng)造了理想條件。

在國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和中核集團(tuán)支持下，JUNA團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)7年攻關(guān)，于2017年研制出世界流強(qiáng)最高的深地核天體物理加速器，其亮度比意大利格蘭薩索深地實(shí)驗(yàn)室加速器的還要亮10倍。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還研制出深地最精密、效率最高的探測(cè)器。至此，極亮加速器、極凈環(huán)境、極高效探測(cè)3塊拼圖齊備，探索“圣杯”反應(yīng)的時(shí)機(jī)終于成熟。

豐碩成果點(diǎn)亮“深地之光”

2020年12月26日，一縷光照亮實(shí)驗(yàn)熒光屏，中國(guó)核天體物理的“深地之光”點(diǎn)亮。此后4個(gè)月，團(tuán)隊(duì)取得多項(xiàng)核天體物理反應(yīng)的世界紀(jì)錄，標(biāo)志著中國(guó)核天體物理實(shí)驗(yàn)研究躋身世界先進(jìn)行列。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家揭示了諸多奧秘：如果利用伽馬射線來(lái)看宇宙，人類能看多遠(yuǎn)？天文觀測(cè)中的氟和鈣元素，為什么比理論預(yù)言的多？產(chǎn)生重元素的中子有多少？相關(guān)成果已發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》《自然》等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊，被評(píng)為亮點(diǎn)成果，后續(xù)研究將陸續(xù)發(fā)表。JUNA團(tuán)隊(duì)探測(cè)“圣杯”反應(yīng)的測(cè)量靈敏度較國(guó)際相關(guān)團(tuán)隊(duì)研究，也提升數(shù)十倍。

2025年，依托新建成的錦屏大設(shè)施，團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)第二批核天體物理實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)將為解決太陽(yáng)的金屬性疑難和鋰豐度缺失問(wèn)題，提供關(guān)鍵線索。JUNA團(tuán)隊(duì)探測(cè)“圣杯”反應(yīng)的步伐，也在進(jìn)一步加快。

未來(lái)，還有無(wú)盡奧秘等待揭示。依托錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，科研人員將繼續(xù)測(cè)量更多核反應(yīng)速率，研制更大加速器，探索鐵之后重元素的合成路徑。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)也將應(yīng)用于中國(guó)核動(dòng)力裝置研發(fā)，助力科學(xué)家“走”到太陽(yáng)系邊界，探索更深遠(yuǎn)的宇宙奧秘。

在宇宙的深處總有奇妙的現(xiàn)象，等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和解釋?？茖W(xué)家要仰望星空，永葆好奇之心，探尋未知之謎。同時(shí)，也需要腳踏實(shí)地，用決心、勇氣和毅力，用先進(jìn)的科學(xué)儀器，去找到打開(kāi)科學(xué)奧秘的鑰匙，為人類的知識(shí)寶庫(kù)貢獻(xiàn)力量。

（作者為中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)講席教授、中國(guó)原子能科學(xué)研究院研究員，本報(bào)記者呂紹剛采訪整理）

《人民日?qǐng)?bào)》（2026年03月28日06版）