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          精確測量原子核質量 從新角度揭示中子星性質

          2023年05月22日 11:15:26 來源:科技日報 作者:頡滿斌 顏鑫亮 周 旭 王 猛

            

          ⅰ型x射線暴藝術想象圖。 中國科學院近代物理研究所供圖

                 廣袤的宇宙包羅萬象,有極其燦爛絢麗的超新星爆發,能吞噬一切的黑洞,還有個頭極小卻“體重超標”的中子星……

            自20世紀60年代科學家首次發現中子星以來,人們對這個密度驚人的神秘天體充滿了好奇,通過多種手段進行了大量探索。而在一篇發表于《自然·物理》雜志上的論文中,科學家通過精確測量原子核的質量,從新的角度揭示了中子星的性質。

            “大胖子”和“小不點”

            中子星,可以說是一種極其“擰巴”的天體。它是一個“大胖子”,質量約為太陽質量的2倍;可同時它又是個“小不點”,直徑只有20千米左右。除了黑洞和一些假設天體(如白洞、夸克星、奇異星等)外,中子星是目前已知的、最致密的天體。中子星每立方厘米的物質足足有幾億噸重。

            中子星是怎么形成的?科學家認為,當恒星壽命結束時,經過引力坍縮,在其核心會形成殘余物,而中子星就是殘余物的一種。如果殘余的質量超過一定極限,不足以支撐其形成中子星,它就會繼續坍縮,形成黑洞。

            一旦中子星形成,它就不再主動產生熱量,并隨著時間的推移而逐漸冷卻。不過,中子星仍可能通過碰撞或吸積鄰近天體的物質進一步演化。

            中子星的表面還存在強大的磁場和猛烈的X射線。Ⅰ型X射線暴發生在中子星與伴星(通常是一顆紅巨星)組成的雙星系統中,是目前已知的最頻繁的天體熱核爆發過程,也是太空望遠鏡所能觀察到的最亮的天文現象之一。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秒時間內釋放出大量能量,形成X射線暴。

            從原子核到中子星

            X射線在逃離中子星的過程中需要克服萬有引力的影響,將一部分自身能量轉換為重力勢能。該過程會導致X射線的頻率不斷降低,在光譜中表現為顏色從藍到紅,被稱為引力紅移。引力紅移效應的大小與中子星自身的致密性條件息息相關。因此,X射線暴為研究中子星性質提供了重要窗口。

            科學家主要通過測量每秒在單位面積上沉積的X射線能量,即X射線光度曲線,來觀測X射線暴。然而,由于中子星存在引力紅移效應,在地球上觀測到中子星的X射線光度曲線和其表面的光度曲線存在差異。如果能準確得到X射線暴在中子星表面的光度曲線,并將其與地球天文觀測數據進行比較,就可以得到中子星與地球的距離信息。此外,科學家還可以通過提取引力紅移系數的大小,得到中子星致密性的相關信息。

            而想要得到這些信息,能否準確模擬中子星表面的熱核反應過程是研究的關鍵?焖儋|子俘獲過程是驅動X射線暴的主要熱核反應之一,這一過程涉及到一系列遠離穩定線的短壽命缺中子原子核。其中,鍺-64等原子核扮演著非常重要的角色,被科學家稱為“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量核區時遇到的一個重要的“擁堵路段”。鍺-64附近的原子核質量,尤其是砷-65、硒-66的質量,對核反應的走向和能量釋放具有重大的影響,并進一步決定了X射線暴灰燼中的元素豐度,以及光度曲線的形狀和持續時間等。因此,精確測量鍺-64附近原子核的質量,對于深入理解X射線暴和確定中子星的性質非常重要。

            從實驗室到宇宙星空

            原子核的質量雖然極其輕微,卻在中子星性質的研究中發揮著重要作用。中國科學院近代物理研究所原子核質量測量團隊與合作者基于蘭州重離子加速器冷卻儲存環,利用國際首創的新型質譜術,精確測量了一批關鍵原子核的質量,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。

            2011年,近代物理所原子核質量測量團隊首次測量了短壽命原子核砷-65的質量,它是鍺-64的質子俘獲產物,為研究快速質子俘獲過程中鍺-64“等待點核”問題提供了關鍵數據。但要想徹底明確鍺-64周圍的核反應流,明確鍺-64的雙質子俘獲產物硒-66及其他附近原子核的質量也非常重要。

            然而,這些原子核的產額極低、壽命很短,測量難度大,多年來相關研究一直未能所有突破。歷經十余年努力,原子核質量測量團隊研發了新一代等時性質譜術,團隊將其命名為“磁剛度識別的等時性質譜術”。新型質譜術具有高精度、單離子靈敏、高效率、短測量時間、無背景污染等優點,是目前國際上最先進的短壽命、低產額原子核質量測量方法之一。

            利用新型質譜術,近代物理所聯合多家單位精確測量了砷-64、砷-65、硒-66、硒-67、鍺-63等原子核的質量,從而在實驗上首次確定了與“等待點核”鍺-64相關的所有核反應能,更是國際上首次對砷-64和硒-66的質量進行測量,其他原子核的質量精度均得到提高。

            通過研究新的原子核質量結果對X射線暴和中子星性質的影響,研究團隊發現新的結果使快速質子俘獲過程發生了變化,X射線光度曲線峰值增加、尾部持續時間延長。對比目前天文觀測數據最豐富的、代號為GS 1826-24的中子星X射線暴觀測光度曲線,研究團隊發現該中子星與地球之間的距離比此前預計的要更遠(需增加6.5%)、中子星表面引力紅移系數也需要降低4.8%。

            中子星表面引力紅移系數的變化意味著中子星密度比預想的要低一些。另外,鍺-64等原子核的質量變化導致快速質子俘獲過程反應產物豐度分布發生變化,意味著X射線暴后中子星外殼的溫度會比通常認為的更高。

            中子星的性質研究是一個重要的前沿課題,可通過天文觀測、重離子碰撞等不同方式進行研究。在此次研究中,科研團隊通過精確測量原子核的質量,結合理論計算得到中子星表面更精確的X射線暴光度曲線,和天文觀測比較,從新的角度約束了中子星的質量和半徑的關系。

          [編輯: 陳路漫]
          (本文來源:科技日報)
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