实验室中的元素创造加深了对中子星表面爆炸的理解
在能源部橡树岭国家实验室的凯利·奇普斯 (Kelly Chipps) 的带领下，在实验室工作的科学家们产生了一种标志性的核反应，这种反应发生在一颗中子星的表面，吞噬了一颗伴星的质量。他们的成就提高了对产生不同核同位素的恒星过程的理解。
“从核物理学和天体物理学的角度来看，中子星真的很迷人，”ORNL 核天体物理学家凯利奇普斯说，他领导了一项发表在《物理评论快报》上的研究。“对它们的动力学有更深入的了解可能有助于揭示从人类到行星的一切元素的宇宙配方。”
Chipps 领导着核结构和天体物理学喷气实验(JENSA)，它的合作者来自三个国家的九个机构。该团队使用一种独特的气体射流靶系统，该系统可产生世界上密度最高的氦气射流用于加速器实验，以了解在地球上以与在外太空中相同的物理学原理进行的核反应。
核合成过程产生新的原子核。当质子或中子被捕获、交换或排出时，一种元素可以变成另一种元素。
中子星具有巨大的引力，可以从附近的恒星捕获氢和氦。物质聚集在中子星表面，直到它在反复爆炸中点燃，产生新的化学元素。
许多为爆炸提供动力的核反应仍未得到研究。现在，JENSA 的合作者已经在密歇根州立大学的实验室中产生了这些标志性核反应之一。它直接限制了通常用于预测元素形成的理论模型，并提高了对产生同位素的恒星动力学的理解。
JENSA 系统建于 ORNL，现在位于密歇根州立大学运营的 DOE 科学办公室用户设施Rare Isotope Beams Facility中，它提供了一种轻质气体目标，这种气体密度高、纯度高且定位在几毫米以内。JENSA 还将为俘获反应分离器或 SECAR 提供主要目标，SECAR 是 FRIB 的一个探测器系统，允许实验核天体物理学家直接测量为爆炸恒星提供动力的反应。ORNL 的合著者 Michael Smith 和 Chipps 是 SECAR 项目团队的成员。
对于当前的实验，科学家们用一束氩 34 撞击了 α 粒子(氦 4 核)的目标。(同位素后的数字表示其质子和中子的总数。)该聚变的结果产生了钙 38 核，其中有 20 个质子和 18 个中子。因为这些原子核被激发，它们射出质子并最终成为钾 37 原子核。
气体射流周围的高分辨率带电粒子探测器精确测量了质子反应产物的能量和角度。该测量利用了 ORNL 在核物理学家 Steven Pain 的领导下开发的探测器和电子设备。考虑到能量和动量守恒，物理学家通过反算发现了反应的动力学。
“我们不仅知道发生了多少反应，而且我们还知道最终钾 37 核最终的比能，这是理论模型预测的组成部分之一，”奇普斯说。
实验室实验提高了对物质落到中子星重要子集表面时发生的核反应的理解。这些恒星是在一颗大质量恒星耗尽燃料并坍缩成一个与佐治亚州亚特兰大市等城市一样宽的球体时诞生的。然后引力将基本粒子挤压得尽可能近，从而产生我们可以直接观察到的最致密的物质。一茶匙中子星的重量相当于一座山。充满中子的恒星比搅拌机叶片旋转得更快，是宇宙中最强的磁铁。它们在液体内核周围有固体外壳，液体内核包含形状像意大利面条或千层面的材料，因此获得了“核意大利面”的绰号。
“因为中子星非常奇怪，它们是一个有用的自然实验室，可以测试中子物质在极端条件下的行为，”奇普斯说。
实现这种理解需要团队合作。天文学家观察恒星并收集数据。理论家试图了解恒星内部的物理学。核物理学家在实验室测量核反应，并根据模型和模拟对其进行测试。该分析减少了由于缺乏实验数据而导致的巨大不确定性。“当你把所有这些东西放在一起时，你就会真正开始理解正在发生的事情，”奇普斯说。
“因为中子星是超高密度的，它巨大的引力可以把伴星上的氢和氦拉过来。当这种材料落到地表时，密度和温度会变得如此之高，以至于可能发生热核爆炸，并在整个表面传播，”奇普斯说。热核失控将原子核转化为更重的元素。“反应序列可以产生几十种元素。”
表面爆炸不会摧毁中子星，中子星又回到了它之前所做的事情：吸食它的伴星并爆炸。反复的爆炸将地壳物质拉入混合物中，形成一种奇异的成分，其中先前爆炸中形成的重元素与轻质氢和氦发生反应。
理论模型预测形成哪些元素。科学家们通常使用称为 Hauser-Feshbach 形式主义的统计理论模型分析 JENSA 团队测量的反应，该模型假设原子核的连续激发能级可以参与反应。其他模型则假设只有一个能级参与。
“我们正在测试统计模型有效或无效之间的转换，”奇普斯说。“我们想了解这种转变发生在哪里。因为 Hauser-Feshbach 是一种统计形式主义——它依赖于大量的能量水平，所以对每个个体水平的影响被平均——我们正在寻找这个假设开始崩溃的地方。对于像镁 22 和氩 34 这样的原子核，期望原子核没有足够的水平来使这种平均方法有效。我们想对此进行测试。”
关于统计模型是否适用于发生在恒星而非地球实验室的此类反应的问题仍然存在。奇普斯说：“我们的结果表明，统计模型对这种特殊反应是有效的，这消除了我们对中子星理解的巨大不确定性。” “这意味着我们现在可以更好地了解这些核反应是如何进行的。”
接下来，研究人员将尝试通过进一步测试其极限来改进统计模型。过去的一篇论文探讨了原子质量为 22 的镁原子核，发现该模型的错误率几乎达到了 10 倍。目前由 ORNL 领导的论文探索了高于此的 12 个原子质量单位，发现该模型正确预测了反应速率。
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