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(tuán)隊(duì)與合作者基于蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)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》(Nature Physics)上。
中子星是人類已知的最致密的星體之一。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(yuǎn)鏡所能觀察到的最亮的天文現(xiàn)象之一。中子星強(qiáng)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(dá)到一定程度時(shí)，熱核反應(yīng)會(huì)被點(diǎn)燃，在10-100秒時(shí)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(dòng)X射線暴的主要熱核反應(yīng)之一，涉及到一系列遠(yuǎn)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(xué)家稱之為“等待點(diǎn)核”。精確測量鍺-64附近原子核的質(zhì)量，對(duì)深入理解X射線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)子俘獲過程中鍺-64等待點(diǎn)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(yīng)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(gè)量級(jí)，測量難度更大，多年來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(tuán)隊(duì)基于蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)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(shí)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(tuán)隊(duì)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(yàn)上首次確定了等待點(diǎn)核鍺-64相關(guān)的所有核反應(yīng)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(duì)X射線暴和中子星性質(zhì)的影響，團(tuán)隊(duì)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(shí)間延長。對(duì)比目前天文觀測數(shù)據(jù)最豐富的、代號(hào)為GS 1826-24中子星的X射線暴，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該中子星與地球之間的距離更遠(yuǎn)（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(yù)想的要低一些，而X射線暴后中子星外殼的溫度會(huì)比通常認(rèn)為的更高。
中子星的性質(zhì)研究是一個(gè)重要的前沿課題，可通過天文觀測、重離子碰撞等不同方式進(jìn)行研究。本研究通過原子核質(zhì)量測量得到更精確的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。
本工作由來自近代物理所、先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)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(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、中科院穩(wěn)定支持青年團(tuán)隊(duì)、自然科學(xué)基金委等項(xiàng)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(chǔ)存環(huán)核物理室 供稿）
