• 意大利地下核天体物理实验室的物理学家们在一个氘靶上发射了一束质子(粉色)并测量了聚变速率。

在意大利一座隐蔽的实验室里，物理学家们重现了宇宙大爆炸两到三分钟后发生的核反应。他们对反应速率的测量结果发表在昨天的《自然》杂志上，确定了被称为大爆炸核聚变的一系列步骤中最不确定的因素（大爆炸核聚变产生了宇宙中第一颗原子核）。

据英国杜伦大学天体物理学家莱恩·库克说，研究人员对这个结果“欣喜若狂”。“会有很多人对粒子物理、核物理、宇宙学和天文学感兴趣，”他说。

反应涉及到氘，这是一种氢的同位素，由一个质子和一个中子组成，在宇宙最初的三分钟内聚变而成。大部分的氘迅速聚变成更重、更稳定的元素，比如氦和锂。但有一些“活到了今天”。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的天体物理学家布莱恩菲尔兹说，“我们的体内有几克氘，它们来自大爆炸。”

剩下的氘的精确数量揭示了最初几分钟的关键细节，包括质子和中子的密度，以及它们在宇宙膨胀中如何迅速分离。意大利国家核物理研究所的核天体物理学家卡洛·古斯塔维诺说，氘是“那个时代的一个特殊的超级见证”。

但物理学家只有知道氘与质子聚变形成同位素氦-3的速率，才能推断出这些信息。地下核天体物理实验室（LUNA）合作所进行的新测量已经确定了这一速率。

宇宙中最早的探测器

氘的产生是大爆炸核聚变的第一步，当宇宙还是由质子和中子组成的超级热但快速冷却的“汤”时，发生了一系列核反应。

从20世纪40年代开始，核物理学家发展了一系列连锁方程式，描述了氢、氦和锂的各种同位素如何组合成原子核，如何聚变并吸收质子和中子（较重的元素是很久以后才在恒星内部形成的）。从那以后，研究人员在实验室里通过复制原始核反应测试了这些方程式的大部分方面。

在此过程中，他们取得了重大发现。这些计算在20世纪70年代首次提供了暗物质存在的一些证据。大爆炸核聚变也使物理学家能够预测不同类型的中微子的数量，这有助于推动宇宙膨胀。

• 宇宙微波背景辐射图，宇宙最初的样子

但近十年来，关于氘是否有可能吸收质子并转化为氦-3的不确定性，使宇宙最初几分钟的景象变得模糊不清。最重要的是，这种不确定性使物理学家无法将这幅图景与大爆炸38万年后宇宙的样子进行比较。大爆炸38万年后，宇宙冷却到足以让电子开始绕原子核运动。这个过程释放出被称为宇宙微波背景的辐射，提供了当时宇宙的“快照”。

宇宙学家希望根据他们的宇宙演化模型，检查宇宙的密度是否像预期的那样从一个周期变化到另一个周期。如果两幅图不一致，“理解这一点将是非常非常重要的，”库克说。对于顽固的宇宙问题（比如暗物质的本质）的解决方案，可以在这个缺口中找到，也可以在外来新粒子的第一个迹象中找到。“在大爆炸后的一两分钟到大爆炸后的几十万年之间，可能会发生很多事情，”库克说。

最重要的氘的反应速率可以让研究人员做这样的比较，但测量氘的反应速率是非常困难的。因为这是在实验室里以可控的方式模拟大爆炸！物理学家上一次尝试测量是在1997年。从那时起，对宇宙微波背景的观测变得越来越精确，这给研究大爆炸核聚变的物理学家们带来了压力。

2014年，库克和合著者通过对遥远气体云的观测，精确地测量了宇宙中氘的丰度。但是，要将这种丰度转化为对原始物质密度的精确预测，他们需要对氘的反应速率进行更好地测量。2016年发布的一份纯理论估计与1997年的实验室测量结果不一致，这进一步增加了研究难度。

“这是一个非常混乱的情况，”古斯塔维诺说，他是LUNA合作组织的成员。“在这一点上，我对合作变得更加积极了……因为卢娜能够准确地测量出这种反应。”

一种罕见的组合

测量氘与质子聚变的难易程度的部分挑战在于，在实验室条件下，这种反应并不经常发生。每一秒钟，LUNA实验就会向一个氘目标发射100万亿个质子。一天只有几次会产生聚变。

更困难的是，不断降落在地球表面的宇宙射线可以模拟氘反应产生的信号。“由于这个原因，我们在一个地下实验室里，由于岩石的覆盖，我们可以从‘避免宇宙射线的干扰’中获益，”弗朗西斯卡·卡瓦纳说。她和桑德拉·扎瓦塔雷利一起领导了LUNA的数据收集和分析工作。

在三年多的时间里，科学家们在意大利大萨索山深处的一个实验室里轮班工作，时间长达一周。“这很令人兴奋，因为你真的感到自己置身于科学之中，”卡瓦纳说。随着他们数据的收集越来越多，来自更广泛的物理界的压力也越来越大。“有很多期待；有很多期望，”他们说。

事实证明，该团队的最新发布的测量结果可能会令寻找宇宙模型的“裂缝”的宇宙学家感到失望。

一小步

所测得的速率（即在原始核聚变时期温度范围内氘与质子聚变形成氦-3的速度）落在了2016年的理论预测和1997年的测量之间。更重要的是，当物理学家将这个速率输入到大爆炸核聚变方程式中时，他们预测的原始物质密度和宇宙膨胀速率与38万年后宇宙微波背景的观测结果非常吻合。

“它本质上告诉我们，到目前为止，宇宙学的标准模型是完全正确的，”阿利奥塔说。这本身就缩小了下一代宇宙模型必须适应的差距。专家说，结果甚至可以排除某些暗物质理论。

这比支持奇异的新宇宙成分的证据更令人兴奋。但阿利奥塔说，在这个精密天文学的时代，这是科学家们的“一小步”。菲尔兹表示同意，“我们一直在努力在预测、测量和观察方面做得更好。”

即将到来的是下一代宇宙微波背景测量技术。与此同时，随着人们对氘的行为有了更好地了解，其他原始核反应和元素丰度的不确定性变得更加紧迫。

根据菲尔德的说法，一个长期存在的“宇宙大爆炸核聚变效应”是，根据氘和宇宙微波背景计算出的物质密度预测，宇宙中锂的含量应该比我们实际观察到的要多三倍。仍然有很多未知因素，未来会发生什么将会非常有趣。