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恒星是宇宙的核熔炉，负责创造宇宙中大多数比氦重的元素。其中一些元素是在数十亿年的过程中在恒星的中心形成的，而另一些元素则是在大质量恒星爆炸死亡的短短几秒钟内形成的。这些重元素在宇宙中扮演着重要的角色，使复杂分子和尘埃得以形成，从而促进分子云的冷却和凝结，帮助形成像太阳这样的新恒星。第一代恒星被称为星族III(流行III)恒星或原始恒星，由大爆炸留下的原始物质形成，因此在向宇宙中播种第一批重元素并为未来的恒星和星系创造合适的条件方面发挥了特殊作用。

每一颗恒星，无论其质量如何，其生命的大部分时间都在通过两种主要机制，在其核心将氢无声地聚变为氦:p-p链和催化碳-氮-氧(CNO)循环。哪种机制主导着氢燃烧取决于恒星核心的温度。在初始质量小于约1.2太阳质量(M_⊙)、核温度相对较低(T≤0.02 GK)的恒星中，p-p链主导氢聚变，而在初始质量较高、核温度较高的恒星中，CNO循环起主导作用。

作为一个催化反应，CNO核的总数保持不变，除非爆发反应序列导致向NeNa质量区泄漏，或者如果温度和密度足够高，可以通过三α (3α)过程锻造新碳。后两者发生在原始大质量恒星中。唯一可能在较低温度下从循环中去除催化物质的反应是¹⁹F与质子的聚变生成²⁰Ne，记为¹⁹F(p, γ)²⁰Ne。以前，这个反应被认为与竞争的¹⁹F(p, γ)²⁰O反应相比是弱的，所以CNO循环产生的大部分¹⁹F会被回收成¹⁶O，没有实质性的化学丰度变化。

SMSS0313-6708是一颗缺乏超金属的恒星，据推测它是宇宙大爆炸后形成的第一代恒星的直接后代。一颗缺乏超金属的恒星的可观测组成是第一批星系形成之前环境的时间胶囊——补充了詹姆斯·韦伯空间望远镜即将进行的令人兴奋的观测，该望远镜现在的目标是第一次看到最早的恒星和星系。

这项研究利用地下极低本底环境、高强度束流和新研制的耐久靶，直接测量了¹⁹F(p, γ)²⁰Ne反应至ECOM≈186 keV的极低能点。这些独特的条件使研究人员能够在恒星能量区域测量这个关键的反应，这是以前在地面实验室无法达到的。

¹⁹F(p, γ)²⁰Ne反应结果（图源自Nature ）

此外，该研究报道了225 keV的关键共振，并确定了天体物理学重要温度区域的精确热核率。通过增强的速率导致了在“温暖的”CNO情景下更强的爆发，这是在最古老的、超缺铁恒星中发现的钙的起源。恒星模型显示，在恒星氢燃烧过程中发生了比之前认为的更强烈的爆发，这可能揭示了印记在已知最古老的超贫铁恒星SMSS0313-67086上的星族III恒星中产生钙的本质。

综上所述，这些结果为第一代原始恒星的微弱超新星模型作为观测到的化学丰度特征的来源提供了强有力的实验基础。其中报告的新星、X射线暴、AGB(渐近巨支)恒星和其他恒星点的速率的天体物理意义仍有待于未来的详细研究。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05230-x

来源 | iNature

编辑/审核：Andy

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