大多数驱动我们宇宙中元素合成的核反应都发生在非常极端的恒星等离子体条件下。在恒星内部深处发现的这种强烈的环境使得科学家几乎不可能在这些条件下进行核测量——直到现在。
科学家们首次在极端条件下进行核反应横截面的热核测量，如恒星内部。图片版权：Lawrence Livermore National Laboratory
在一个独特的跨学科合作领域的等离子体物理、核天体物理学和激光聚变的研究小组包括科学家从劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)俄亥俄大学，麻省理工学院(MIT)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)，描述实验中执行类似恒星的内部条件。该小组的研究结果8月7日发表在《自然物理》杂志上。
这些实验是对核反应截面的第一个热核测量，这个量描述了反应物发生聚变反应的概率——在高能量密度的等离子体条件下，它相当于巨大恒星燃烧的核心，即比太阳质量大10 - 40倍。这些极端等离子体的条件是氢同位素密度被压缩了一千到接近固态铅和温度加热到~ 5000万开尔文。这些也是恒星产生超新星的条件，超新星是宇宙中最大规模的爆炸。
通常情况下这些核天体物理实验是在实验室的加速器实验中进行的，这对核合成的低能量尤其具有挑战性，该论文的主要作者LLNL物理学家Dan Casey说：随着反应截面的快速下降，反应物能量的减少，束缚电子筛选的修正变得非常重要，而地面和宇宙背景源成为一个主要的实验挑战。
尽管惊人的在质量和规模上的差异——太阳(左)大约是10 ^大38倍和10 ^ 13倍,NIF内爆(右)被用于重建在恒星的内部深处发现的条件,这样他们可以更好的理解。图片版权：Lawrence Livermore National Laboratory
这项工作是在LLNL的国家点火设施(NIF)进行的，这是世界上唯一能创造温度和压力的实验工具，就像在恒星和巨大行星的核心中发现的那样。使用间接驱力方法，NIF被用来驱动充气胶囊内爆加热胶囊到异常温度，并将它们压缩到高密度，在那里发生聚变反应。
凯西说：最重要的发现之一是我们在完全不同的条件下对加速器进行了先前的测量。这确实在核天体物理领域建立了一个新的工具，用于研究各种可能难以通过其他途径获得的过程和反应。
也许最重要的是这项工作为潜在的实验测试奠定了基础，这些实验只能在恒星内部的极端等离子体环境中发现。一个例子是等离子电子扫描，这是一个在核合成过程中很重要的过程，但并没有在实验中被观察到。
现在该团队已经建立了一项技术来执行这些测量，由麻省理工学院的Maria Gatu Johnson领导的相关团队正在寻求探索其他的核反应和尝试测量等离子电子对核反应的影响的方法。
来自：Lawrence Livermore National Laboratory
参考期刊：Nature Physics
编译：光量子
审发：博科园
