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原子核的精确质量测量揭示了中子星的性质

来源：互联网    时间：2023-05-05 17:51:08


(相关资料图)

中国科学院(CAS)现代物理研究所(IMP)的研究人员及其合作者采用最先进的存储环质谱技术，高精度地测量了几个关键原子核的质量。利用新数据，他们研究了中子星表面的X射线暴，从新的角度对中子星的性质设定了限制。该研究发表在Nature Physics上。

中子星被认为是仅次于黑洞的最密集的物体。I型X射线暴是天基望远镜经常在天空中观测到的最亮的恒星物体之一，是在中子星表面发生的剧烈热核爆炸。

由于中子星的强引力，来自伴星的富含氢和氦的物质在点燃热核燃烧之前在中子星表面吸积数小时或数天。爆炸持续10至100秒，引起明亮的X射线爆发。这些频繁的X射线爆发为研究中子星的性质提供了机会。

爆发由称为快速质子捕获核合成过程(rp-process)的核反应序列提供动力，该过程涉及数百个奇异的中子缺陷核素。其中，包括锗-64在内的等待点核素起着决定性的作用。“锗-64就像核反应过程道路上的十字路口，是核反应进入中等质量区域时遇到的重要拥挤部分。相关原子核的质量在设定工艺路径和产生的X射线通量方面具有决定性作用，“本文第一作者、IMP博士生周旭解释说。

因此，锗-64周围原子核的精确质量测量对于理解X射线暴和中子星的性质至关重要。然而，由于产量极低，测量这些短寿命原子核的质量一直非常具有挑战性。

经过十多年的努力，IMP储物环核物理组的研究人员在兰州重离子研究设施(HIRFL)的冷却器储物环(CSR)开发了一种新的超灵敏质谱技术，称为Bρ定义的同步质谱(Bρ-IMS)。它可以快速有效地测量产量极低的短寿命细胞核。

“我们的实验能够在单个核素生产后的一毫秒内精确确定其质量，并且在测量的光谱中基本上是无背景的，”IMP的王猛教授说。

研究人员精确测量了砷-64、砷-65、硒-66、硒-67和锗-63的质量。砷-64和硒-66的质量是世界上第一个实验结果，其他的质量精度都得到了提高。随着新测量的质量，与等待点核锗-64相关的所有核反应能都首次通过实验确定。

研究人员使用新的质量作为X射线暴模型计算的输入。他们发现新数据会导致 rp 进程路径发生变化。结果，中子星表面的X射线暴光曲线具有增加的峰值光度和更长的尾部持续时间。

通过将模型计算与GS 1826-24观测到的X射线暴进行比较，研究人员发现，从地球到爆破器的距离应该增加6.5%，中子星表面引力红移系数需要降低4.8%才能匹配天文观测，这表明中子星的密度低于预期。此外，rp过程反应产物的组成变化表明，X射线爆发后中子星外壳的温度应高于一般认为的温度。

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