自上世紀60年代人類首次發(fā)現(xiàn)中子星以來，人們對這個密度驚人的神秘天體充滿了好奇，因為中子星是除黑洞外密度最大的星體，它具有極其強烈的引力場和強烈的磁場，因此對于宇宙探索具有重要意義，各國科研機構(gòu)也通過多種手段進行了大量探索。
近期，中國科學院近代物理研究所（以下簡稱近代物理所）原子核質(zhì)量測量團隊與合作者基于蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)，利用國際首創(chuàng)的新型質(zhì)譜術(shù)，精確測量了一批關(guān)鍵原子核的質(zhì)量，研究了中子星表面的X射線暴，從新的角度約束了中子星的性質(zhì)。相關(guān)結(jié)果于5月1日發(fā)表在《自然-物理學》(Nature Physics)上。
【資料圖】
從原子核到中子星
中子星是人類已知的最致密的星體之一，在中子星上，每立方厘米的物質(zhì)足足有幾億噸。中子星形成過程，科學家們認為當恒星壽命結(jié)束時，經(jīng)過引力塌縮，在其核心會形成殘余物，而中子星就是殘余物的一種。中子星的表面還有強大的磁場和猛烈的X射線。X射線暴發(fā)生在中子星與伴星（通常是一顆紅巨星）組成的雙星系統(tǒng)中，是目前已知的最頻繁的天體熱核爆發(fā)過程，也是太空望遠鏡所能觀察到的最亮的天文現(xiàn)象之一。中子星強大的引力將伴星中富含氫和氦的燃料吸積到中子星的表面。當這些燃料的溫度和密度達到一定程度時，熱核反應會被點燃，在10-100秒時間內(nèi)釋放出大量能量，形成X射線暴。X射線暴為研究中子星性質(zhì)提供了窗口。
快速質(zhì)子俘獲過程是驅(qū)動X射線暴的主要熱核反應之一，涉及到一系列遠離穩(wěn)定線的短壽命缺中子原子核。其中，鍺-64扮演著非常重要的角色，被科學家稱之為“等待點核”。“鍺-64就像是核過程路徑上的一個‘十字路口’，是核反應進行到中等質(zhì)量核區(qū)時遇到的第一個重要的擁堵路段，其附近的原子核質(zhì)量決定著核反應的走向和能量釋放”，論文第一作者、近代物理所博士生周旭解釋，因此，精確測量鍺-64附近原子核的質(zhì)量，對深入理解X射線暴和確定中子星性質(zhì)非常重要。然而由于這些原子核的產(chǎn)額極低、壽命很短，測量難度大，多年來國際上一直未能突破。
新一代原子核質(zhì)量測量方法
2011年，近代物理所首次測量了短壽命原子核砷-65的質(zhì)量，它是鍺-64的質(zhì)子俘獲產(chǎn)物，為研究快速質(zhì)子俘獲過程中鍺-64等待點核問題提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。但想要徹底明確鍺-64周圍的核反應流，鍺-64的雙質(zhì)子俘獲產(chǎn)物硒-66及其他附近原子核的質(zhì)量也非常重要。然而，硒-66的產(chǎn)生截面比砷-65低一個量級，測量難度更大，多年來國際上一直未能突破。
歷經(jīng)十余年的努力，近代物理所質(zhì)量測量團隊基于蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)研發(fā)了新一代等時性質(zhì)譜術(shù)，并將其命名為“磁剛度識別的等時性質(zhì)譜術(shù)”。近代物理所研究員王猛介紹：“我們實驗中用的是首創(chuàng)的新型質(zhì)譜術(shù)，具有高精度、單離子靈敏、高效率、短測量時間、無背景污染等優(yōu)點，是目前國際上最先進的短壽命、低產(chǎn)額原子核質(zhì)量測量方法之一?！?/p>
“小質(zhì)量”發(fā)揮“大作用”
利用新型質(zhì)譜術(shù)，研究團隊精確測量了砷-64、砷-65、硒-66、硒-67、鍺-63等原子核的質(zhì)量，從而在實驗上首次確定了等待點核鍺-64相關(guān)的所有核反應能。其中，砷-64和硒-66的質(zhì)量是國際上首次測量，其他原子核的質(zhì)量精度均得到提高。
通過研究新的原子核質(zhì)量結(jié)果對X射線暴和中子星性質(zhì)的影響，團隊發(fā)現(xiàn)新的結(jié)果使快速質(zhì)子俘獲過程發(fā)生了變化，X射線光度曲線峰值增加、尾部持續(xù)時間延長。對比目前天文觀測數(shù)據(jù)最豐富的、代號為GS 1826-24中子星的X射線暴，團隊發(fā)現(xiàn)該中子星與地球之間的距離更遠（需增加6.5%）、中子星表面引力紅移系數(shù)需要降低4.8%。中子星表面引力紅移系數(shù)的上述變化意味著中子星密度比預想的要低一些，而X射線暴后中子星外殼的溫度會比通常認為的更高。
近代物理所研究員張玉虎介紹：“中子星的質(zhì)量和半徑間的關(guān)系是學界非常關(guān)心的一個重要前沿課題，可通過天文觀測、重離子碰撞等不同方式進行研究。我們通過原子核質(zhì)量測量得到更精確的X射線暴發(fā)光曲線，和天文觀測比較，從新的角度約束了中子星的質(zhì)量和半徑的關(guān)系。”（來源：中國科學報 葉滿山）
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41567-023-02034-2
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