原子核的精确质量测量揭示了中子星的特性
中国科学院 (CAS) 近代物理研究所 (IMP) 的研究人员及其合作者最近通过采用最先进的存储环质谱技术对几个关键原子核的质量进行了高精度测量. 利用新的质量数据，他们研究了中子星表面的 X 射线爆发，从而加深了对中子星特性的理解。该研究发表在《自然物理学》上。
中子星被认为是除黑洞之外密度最大的天体。I 型 X 射线爆发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，是发生在中子星表面的剧烈热核爆炸。
由于中子星的强大引力，来自伴星的富含氢和氦的物质会在中子星表面聚集数小时或数天，然后引发热核燃烧。爆炸持续 10 到 100 秒，导致明亮的 X 射线爆发。这些频繁的 X 射线爆发为研究中子星的特性提供了机会。
爆发由核反应序列提供动力，称为快速质子捕获核合成过程(rp-过程)，它涉及数百种奇异的缺中子核素。其中，以锗64为代表的候点核素起着决定性的作用。
“锗64就像核反应过程路径上的十字路口，是核反应进行到中质量区时遇到的重要拥堵路段。相关原子核的质量对于设定反应路径以及由此产生的 X 射线通量具有决定性作用，”该论文的第一作者、博士生周旭解释道。IMP 的学生。
因此，对 64 锗周围原子核的精确质量测量对于理解 X 射线爆发和中子星的特性至关重要。然而，由于极低的产量，测量这些短寿命原子核的质量一直非常具有挑战性。因此，多年来在世界范围内几乎没有取得突破。
经过十多年的努力，IMP储存环核物理组的研究人员在兰州重离子研究装置(HIRFL)的冷却器储存环(CSR)开发了一种新的超灵敏质谱技术。这种技术被称为 Bρ 定义的等时质谱法 (Bρ-IMS)，快速高效，因此特别适用于测量产量极低的短寿命原子核。
“我们的实验能够在产生后的一毫秒内精确测定单个核素的质量，并且它在测量光谱中基本上没有背景，” IMP 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。首次对砷64和硒66的质量进行了实验测定，其他样品的质量精度得到显着提高。通过新测量的质量，首次通过实验确定了与等待点锗 64 相关的所有核反应能量，或者这些测量的精度与旧值相比有了很大提高。
然后，研究人员使用新质量作为 X 射线爆发模型计算的输入。他们发现新数据导致 rp-process 路径发生变化。结果，来自中子星表面的 X 射线爆发光曲线显示峰值光度增加和拖尾持续时间延长。
通过将模型计算与观测到的 GS 1826-24 X 射线爆发进行比较，研究人员发现地球与爆发的距离应增加 6.5%，中子星表面引力红移系数需要降低 4.8%以配合天文观测。这些结果表明中子星的密度低于预期。此外，rp 过程的产物丰度表明，在 X 射线爆发后，中子星外壳的温度应该比通常认为的要高。
“通过精确的核质量测量，我们在中子星表面获得了更准确的X射线爆发光变曲线。通过与天文观测的对比，我们对中子星质量和半径之间的关系进行了约束，从一个新的视角，”来自IMP的张玉虎教授说。
这项工作是与来自 GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung、Max-Planck-Institut für Kernphysik、俄亥俄大学、先进能源科学与技术广东实验室、北京大学、兰州大学、北京师范大学和华东理工大学的研究人员合作进行的。
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