南华大学罗文教授团队在核天体物理p-核素核合成研究领域取得重要进展

近日，南华大学核科学技术学院罗文教授团队，在国际天体物理权威期刊《The Astrophysical Journal》(APJ)上发表最新研究成果。研究团队首次系统研究了热化天体同核异能态^113mSn对p-核素¹¹²Sn核合成的影响，发现该同核异能态可使¹¹²Sn丰度显著提升，为解决长期困扰核天体物理领域的“p-核素丰度问题”提供了崭新视角。

p-核素是指一类通过质子俘获或光致蜕变等过程产生的富质子稳定核素，其太阳系丰度的起源是核天体物理领域的重大科学问题之一。作为典型的“中等质量p-核素”，¹¹²Sn的太阳系丰度长期以来无法用标准p-过程模型充分解释，理论预测值仅为观测值的三分之一左右，这就是著名的“p-核素丰度问题”。在爆炸性天体物理环境中，原子核的同核异能态由于激发能较低，可与基态达到热平衡，从而显著影响核反应网络的演化。然而，这种热化的同核异能态能否以及在多大程度上影响p-核素的核合成，一直是一个悬而未决的问题。

图1. (a)在¹¹³Sn附近的p-过程反应网络局部示意图。(b)涉及¹¹³m,gSn与¹¹⁴Sn的(γ, n)反应示意图。

针对上述挑战，罗文教授团队基于NucNet Tools天体物理网络计算程序，创新性地将¹¹³Sn的同核异能态(¹¹³mSn，J^Π=7/2⁺，激发能77.4 keV，半衰期21.4分钟)作为独立核物种引入核反应网络，并系统研究了其在II型超新星(SN II)环境中对¹¹²Sn核合成的影响，相关反应路径如图1所示。研究团队首先计算了¹¹³mSn与基态¹¹³gSn之间的热跃迁速率，确定了两者在热平衡条件下的初始布居比例;随后利用TALYS-1.96程序计算了生成¹¹³mSn和¹¹³gSn的天体物理反应率，依据细致平衡原理推导其逆反应速率，并将其纳入超新星核合成网络进行系统计算。结果如图2所示，在25倍太阳质量的II型超新星模型的氧/氖(O/Ne)燃烧层内，考虑热化的¹¹³m,gSn效应后，¹¹²Sn的丰度增加了342%，从1.16×10^-11提升至5.12×10^-11。

图2.考虑热化的^113m,gSn效应后，¹¹²Sn的丰度演化。作为对比，给出了采用T. Rauscher等人在2002年提出的模型计算得到的结果。上轴表示壳层的峰值温度。

进一步地，研究团队引入归一化平均过量生产因子^{⟨Fi⟩/⟨F0⟩}来定量评估p-核素的相对产额，结果如图3所示，考虑热化的^113m,gSn效应后，¹¹²Sn的^{⟨Fi⟩/⟨F0⟩}值从传统模型的0.33或0.17提升至0.47，成功进入了相对于太阳系丰度的3倍标准不确定度范围内。这种增强现象在15、20和30倍太阳质量的超新星模型中同样存在，表明^113mSn对¹¹²Sn的天体物理核合成具有普遍而显著的影响。这意味着热化的天体同核异能态^113mSn能够显著改善II型超新星模型中¹¹²Sn的理论预测结果，为解决长期存在的p-核素丰度低估问题开辟了新途径。

图3. (a)轻质量和中等质量p-核素(A < 138)的^{⟨Fi⟩/⟨F0⟩}值。(b)不同太阳质量模型下¹¹²Sn的^{⟨Fi⟩/⟨F0⟩}值。三条水平虚线分别对应^{⟨Fi⟩/⟨F0⟩}值为3、1和1/3，标记了不确定性范围。

该研究不仅从理论上证实了天体同核异能态对p-核素核合成的显著调控作用，其建立的研究方法也为系统探索其他同核异能态在天体物理环境中的效应提供了重要参考，有望在核结构与天体核合成、核数据评价、宇宙化学演化等领域展现出广阔的应用前景。

罗文教授指导的硕士生刘泓辰为论文第一作者，罗文教授和李志才副教授为共同通讯作者。中国原子能科学研究院李志宏研究员和欧洲ELI-NP徐毅研究员为本研究的理论分析提供了重要指导。上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等多个基金项目的支持。