在浩瀚的宇宙中，天体的演化、化学元素的生成，是千百年来人类探索的谜题。上世纪20年代，物理学家开始研究恒星演化过程中的核反应现象，为天体物理学开辟了一个新的研究领域——核天体物理。核天体物理是“宇观”天体物理与“微观”核物理自然结合而形成的交叉学科。
核天体物理实验方向：研究中心团队主要依托中国锦屏地下实验室的核天体物理实验项目(JUNA) ，对恒星内部平稳氢燃烧阶段的关键核反应进行测量，进而揭开恒星演化过程与元素起源之谜。主要任务：1) 对新建的JUNA 400 kV强流加速器的束流性能指标进行评估，利用24−26Mg(p,γ )25−27 Al和27 Al(p,γ )28 Si等共振反应，以及12C(p,γ)13N等反应，对束流的绝对能量、束流的能量展宽以及束流的长期稳定性等关键指标进行测量；2) 对碳氮氧循环(CNO cycle)过程中关键核反应14N(p,γ)15O的反应截面进行直接测量，首次拓展到其太阳伽莫夫窗口附近，进而更加精确的获得CNO循环的能量产生率。
核天体物理理论方向：研究中心团队主要研究的课题为中子星和引力波。中子星是大质量恒星演化到末期可能形成的产物之一。微观核物理理论可以预言中子星的性质；反过来，中子星的观测数据又可以限制核物质的性质。最近，双中子星并合事件GW170817开启了引力波天文学纪元。截止2020年2月13 日，LIGO与Virgo合作组在第三轮引力波探测中已经探测到6次双中子星并合事件及5次中子星黑洞并合事件(置信度均大于50%)。与此同时，随着国内外多个大科学装置的运行及建设，中子星的相关研究将有可能短期内取得突破性进展。这些观测结果为核物质状态方程与对称能的研究带来巨大机遇。
各种理论预言的中子星结构
(图片出自F.Weber et al.Prog.Part.Nucl.Phys.54,193(2005))
通过参数化表示对称核物质的状态方程以及对称能，我们构建了一种同位旋依赖的参数化状态方程，基于该同位旋依赖的参数化状态方程，还研究了理论预言的中子星最大质量M = 2.17 M⊙(橙色平面)与由双中子星并合事件GW170817提取的潮汐形变度(粉色与黄色平面)及因果律条件(蓝色平面)对状态方程参数空间的限制，如下图所示。由该空间内的参数组合提取的对状态方程的限制与LIGO及Virgo合作组提取的限制一致。此外，基于同位旋依赖的参数化状态方程，我们还研究了对称能对中子星半径与潮汐形变度的影响和质量M = 2.14 M⊙的中子星PSR J0740+6620对致密丰中子物质状态方程的影响。研究发现中子星最大观测质量的提高会显著改善对状态方程及对称能限制的下限，以及建议了对称能的斜率是影响中子星半径与潮汐形变度关系的关键因素。目前，由中子星内部成分探测器NICER的最新观测结果约束状态方程及对称能的工作正在进行中。
中子星理论预言的最大质量(橙色平面)与潮汐形变度 (粉色与黄色平面)的观测数据及因果律条件(蓝色平面)对状态方程参数空间的限制。
【代表性成果】
l 通过对地面核物理实验，以及天文观测结果的分析，我们计算了中子星的性质并限制了中子星的状态方程和核物质对称能。[详见Combined Constraints on the Equation of State of Dense Neutron-rich Matter from Terrestrial Nuclear Experiments and Observations of Neutron Stars, APJ 859, 90(2018)]
l 基于协变密度泛函理论，研究转动对传统中子星和超子化中子星核子直接URCA（N-DURCA）过程的影响。[详见Neutrino emissivity of the nucleon direct URCA process for rotational traditional and hyperonic neutron stars, Chin. Phys. C 41, No.7, 075101 (2017)]
l 研究了包括传统中子星、超子化中子星和混合星在内的各种刚性转动致密星的无量纲转动参数j=cJ/(GM2)，发现了决定致密星的自旋参数jmax的关键因素是致密星的壳层结构，而不是致密星的内核。发现了当中子星质量M>0.5M⊙时，以开普勒频率fK转动的超子化中子星和混合星的转动参数jmax的最大值为jmax～0.7。[详见A key factor to the spin parameter of uniformly rotating compact stars, crust structure, Res. Astron. Astrophys. 16, No.4, 060 (2016)；Hyperon Effects on the Spin Parameter of Rotating Neutron Stars, Chin. Phys. Lett. 32(11), 112101 (2015)]
l 我们对快速转动的传统中子星以及超子化中子星的开普勒频率fK以及轨道半径R和质量M的关系进行了研究，并发现对于各种由P. Haensel等人[Astron. Astrophys.502 (2009) 605]提出的由相对论平均场论得到的状态方程经验公式存在最大约为13%的误差。[详见KEPLERIAN FREQUENCY OF UNIFORMLY ROTATING NEUTRON STARS IN RELATIVISTIC MEAN FIELD THEORY, Int. J. Mod. Phys. E 22(11), 1350085 (2013)]
