精確測量原子核質(zhì)量 從新角度揭示中子星性質(zhì) 每日快播
廣袤的宇宙包羅萬象，有極其燦爛絢麗的超新星爆發(fā)，能吞噬一切的黑洞，還有個頭極小卻“體重超標(biāo)”的中子星……
自20世紀(jì)60年代科學(xué)家首次發(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，通過多種手段進行了大量探索。而在一篇發(fā)表于《自然·物理》雜志上的論文中，科學(xué)家通過精確測量原子核的質(zhì)量，從新的角度揭示了中子星的性質(zhì)。
“大胖子”和“小不點”
(資料圖)
中子星，可以說是一種極其“擰巴”的天體。它是一個“大胖子”，質(zhì)量約為太陽質(zhì)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(shè)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(zhì)足足有幾億噸重。
中子星是怎么形成的？科學(xué)家認為，當(dāng)恒星壽命結(jié)束時，經(jīng)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(zhì)量超過一定極限，不足以支撐其形成中子星，它就會繼續(xù)坍縮，形成黑洞。
一旦中子星形成，它就不再主動產(chǎn)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(zhì)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(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(dāng)這些燃料的溫度和密度達到一定程度時，熱核反應(yīng)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。
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(zhuǎn)換為重力勢能。該過程會導(dǎo)致X射線的頻率不斷降低，在光譜中表現(xiàn)為顏色從藍到紅，被稱為引力紅移。引力紅移效應(yīng)的大小與中子星自身的致密性條件息息相關(guān)。因此，X射線暴為研究中子星性質(zhì)提供了重要窗口。
科學(xué)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(yīng)，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(zhǔn)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(shù)據(jù)進行比較，就可以得到中子星與地球的距離信息。此外，科學(xué)家還可以通過提取引力紅移系數(shù)的大小，得到中子星致密性的相關(guān)信息。
而想要得到這些信息，能否準(zhǔn)確模擬中子星表面的熱核反應(yīng)過程是研究的關(guān)鍵。快速質(zhì)子俘獲過程是驅(qū)動X射線暴的主要熱核反應(yīng)之一，這一過程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等原子核扮演著非常重要的角色，被科學(xué)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(yīng)進行到中等質(zhì)量核區(qū)時遇到的一個重要的“擁堵路段”。鍺-64附近的原子核質(zhì)量，尤其是砷-65、硒-66的質(zhì)量，對核反應(yīng)的走向和能量釋放具有重大的影響，并進一步?jīng)Q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(xù)時間等。因此，精確測量鍺-64附近原子核的質(zhì)量，對于深入理解X射線暴和確定中子星的性質(zhì)非常重要。
從實驗室到宇宙星空
原子核的質(zhì)量雖然極其輕微，卻在中子星性質(zhì)的研究中發(fā)揮著重要作用。中國科學(xué)院近代物理研究所原子核質(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)。
2011年，近代物理所原子核質(zhì)量測量團隊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)。但要想徹底明確鍺-64周圍的核反應(yīng)流，明確鍺-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，這些原子核的產(chǎn)額極低、壽命很短，測量難度大，多年來相關(guān)研究一直未能所有突破。歷經(jīng)十余年努力，原子核質(zhì)量測量團隊研發(fā)了新一代等時性質(zhì)譜術(shù)，團隊將其命名為“磁剛度識別的等時性質(zhì)譜術(shù)”。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。
利用新型質(zhì)譜術(shù)，近代物理所聯(lián)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(zhì)量，從而在實驗上首次確定了與“等待點核”鍺-64相關(guān)的所有核反應(yīng)能，更是國際上首次對砷-64和硒-66的質(zhì)量進行測量，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，研究團隊發(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的中子星X射線暴觀測光度曲線，研究團隊發(fā)現(xiàn)該中子星與地球之間的距離比此前預(yù)計的要更遠（需增加6.5%）、中子星表面引力紅移系數(shù)也需要降低4.8%。
中子星表面引力紅移系數(shù)的變化意味著中子星密度比預(yù)想的要低一些。另外，鍺-64等原子核的質(zhì)量變化導(dǎo)致快速質(zhì)子俘獲過程反應(yīng)產(chǎn)物豐度分布發(fā)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(zhì)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(zhì)量，結(jié)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(zhì)量和半徑的關(guān)系。
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