核天体物理学界一直在尝试解决自然界中一些极具挑战性的问题：地球上的元素起源是怎样的，如何产生生命？太阳系、银河系乃至整个宇宙如何形成并演化？最终它们将塌缩还是持续扩张？这些研究都需要大量的核物理理论和数据提供支撑。然而，由于技术的限制，实验环境往往难以满足在高温、高密等苛刻条件下进行测量，这使得反应截面、核子质量与结构等数据有很大一部分依赖于模拟计算。核天体物理计算中常用的“核反应网络”是传统的以还原论为主导的方法，考虑若干时间依赖的差分方程组，精确求解得到相关反应中参与物的丰度演化情况。与此同时，统计物理中的复杂网络分析方法在诸多领域得到了应用，显现其作为整体论方法的优势，利用该方法对核反应系统进行统计分析，研究其宏观结构特征，既具有开创性，对核天体物理问题的探索也是十分有意义的。
研究人员将核天体物理联合研究所（Joint Institute for Nuclear Astrophysics，JINA）收集到的热核反应率数据库REACLIB中的8万多个反应映射为有向加权的4层网络——以8千多个核素为节点、反应关系为连边，连接反应物至产物，并根据反应所依赖的不同粒子，将连边分为 4种类别：中子（n层）、质子（p层）、α粒子（h层）和其它（r层）。连边权重对应于反应率，该值依赖于温度。研究表明，核反应系统的结构不同于一般的现实世界系统，其n、p、h层网络较为规则，r层则相对复杂。r层的结构度量指标如度值差、节点重叠系数、节点强度与核素半寿命值有很高的相关性；系统复杂性来源于边权随温度的变化。这一工作将有助于推进对元素图边界、核结构极限和核素图稳定岛等问题的认识。
该项研究主要由马余刚研究员指导其博士研究生朱亮完成；合作单位华东师范大学、上海市多维度信息处理重点实验室的师生参与了分析工作。研究得到了国家自然科学基金委创新研究群体和科技部973项目的资助。（核物理研究室 供稿）
图1 核反应系统在Z-N平面上的拓扑与多层网络示意图（左）；特定布局算法下的拓扑图（右）
图2 网络结构特征能较好地重现β稳定线
