科研進(jìn)展
短壽命原子核質(zhì)量精確測量揭示中子星性質(zhì)
近期，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(xiàn)暴，從新的角度約束了中子星的性質(zhì)。相關(guān)結果于5月1日發(fā)表在《自然-物理》(Nature Physics)上。
中子星是人類(lèi)已知的最致密的星體之一。X射線(xiàn)暴發(fā)生在中子星與伴星（通常是一顆紅巨星）組成的雙星系統中，是目前已知的最頻繁的天體熱核爆發(fā)過(guò)程，也是太空望遠鏡所能觀(guān)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(shí)，熱核反應會(huì )被點(diǎn)燃，在10-100秒時(shí)間內釋放出大量能量，形成X射線(xiàn)暴。X射線(xiàn)暴為研究中子星性質(zhì)提供了窗口。
快速質(zhì)子俘獲過(guò)程是驅動(dòng)X(jué)射線(xiàn)暴的主要熱核反應之一，涉及到一系列遠離穩定線(xiàn)的短壽命缺中子原子核。其中，鍺-64扮演著(zhù)非常重要的角色，被科學(xué)家稱(chēng)之為“等待點(diǎn)核”。精確測量鍺-64附近原子核的質(zhì)量，對深入理解X射線(xiàn)暴和確定中子星性質(zhì)非常重要。
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(guò)程中鍺-64等待點(diǎn)核問(wèn)題提供了關(guān)鍵數據。但想要徹底明確鍺-64周?chē)暮朔磻?，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(gè)量級，測量難度更大，多年來(lái)國際上一直未能突破。
歷經(jīng)十余年努力，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(shí)性質(zhì)譜術(shù)，并將其命名為“磁剛度識別的等時(shí)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(shí)間、無(wú)背景污染等優(yōu)點(diǎn)，是目前國際上最先進(jìn)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)，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(shí)驗上首次確定了等待點(diǎn)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(guò)研究新的原子核質(zhì)量結果對X射線(xiàn)暴和中子星性質(zhì)的影響，團隊發(fā)現新的結果使快速質(zhì)子俘獲過(guò)程發(fā)生了變化，X射線(xiàn)光度曲線(xiàn)峰值增加、尾部持續時(shí)間延長(cháng)。對比目前天文觀(guān)測數據最豐富的、代號為GS 1826-24中子星的X射線(xiàn)暴，團隊發(fā)現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需要降低4.8%。中子星表面引力紅移系數的上述變化意味著(zhù)中子星密度比預想的要低一些，而X射線(xiàn)暴后中子星外殼的溫度會(huì )比通常認為的更高。
中子星的性質(zhì)研究是一個(gè)重要的前沿課題，可通過(guò)天文觀(guān)測、重離子碰撞等不同方式進(jìn)行研究。本研究通過(guò)原子核質(zhì)量測量得到更精確的X射線(xiàn)暴光度曲線(xiàn)，和天文觀(guān)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。
本工作由來(lái)自近代物理所、先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗室、北京大學(xué)、蘭州大學(xué)、北京師范大學(xué)、東華理工大學(xué)等單位的科研人員與德國、美國的科研人員合作完成。研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、中科院戰略性先導科技專(zhuān)項（B類(lèi)）、中科院穩定支持青年團隊、自然科學(xué)基金委等項目的支持。
圖:基于蘭州重離子加速器的原子核質(zhì)量測量探測裝置 （圖源/中科院近代物理所）
(儲存環(huán)核物理室 供稿）
