短壽命原子核質量測量揭示中子星性質

　　◎本報記者 頡滿斌

　　5月4日，記者從中國科學院近代物理研究所（以下簡稱近代物理所）獲悉，該所原子核質量測量團隊與合作者基於蘭州重離子加速器冷卻儲存環，利用國際首創的新型質譜術，精確測量了一批關鍵原子核的質量，研究了中子星表麵的X射線暴，從新的角度約束了中子星的性質。相關成果於5月1日發表在《自然-物理》上。

　　中子星是人類已知的最致密的星體之一。X射線暴發生在中子星與伴星（通常是一顆紅巨星）組成的雙星係統中，是目前已知的最頻繁的天體熱核爆發過程，也是太空望遠鏡所能觀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麵。當這些燃料的溫度和密度達到一定程度時，熱核反應會被點燃，在10-100秒時間內釋放出大量能量，形成X射線暴。X射線暴為研究中子星性質提供了窗口。

　　快速質子俘獲過程是驅動X射線暴的主要熱核反應之一，涉及到一係列遠離穩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，被科學家稱之為“等待點核”。精確測量鍺-64附近原子核的質量，對深入理解X射線暴和確定中子星性質非常重要。

　　2011年，近代物理所首次測量了短壽命原子核砷-65的質量，它是鍺-64的質子俘獲產物，為研究快速質子俘獲過程中鍺-64等待點核問題提供了關鍵數據。但想要徹底明確鍺-64周圍的核反應流，鍺-64的雙質子俘獲產物硒-66及其他附近原子核的質量也非常重要。然而，硒-66的產生截麵比砷-65低一個量級，測量難度更大，多年來國際上一直未能突破。

　　曆經十餘年努力，近代物理所質量測量團隊基於蘭州重離子加速器冷卻儲存環研發了新一代等時性質譜術，並將其命名為“磁剛度識別的等時性質譜術”。新型質譜術具有高精度、單離子靈敏、高效率、短測量時間、無背景汙染等優點，是目前國際上最先進的短壽命、低產額原子核質量測量方法之一。

　　利用新型質譜術，研究團隊精確測量了砷-64、砷-65、硒-66、硒-67、鍺-63等原子核的質量，從而在實驗上首次確定了等待點核鍺-64相關的所有核反應能。其中，砷-64和硒-66的質量是國際上首次測量，其他原子核的質量精度均得到提高。

　　通過研究新的原子核質量結果對X射線暴和中子星性質的影響，團隊發現新的結果使快速質子俘獲過程發生了變化，X射線光度曲線峰值增加、尾部持續時間延長。對比目前天文觀測數據最豐富的、代號為GS 1826-24中子星的X射線暴，團隊發現該中子星與地球之間的距離更遠、中子星表麵引力紅移係數需要降低4.8%。中子星表麵引力紅移係數的上述變化意味著中子星密度比預想的要低一些，而X射線暴後中子星外殼的溫度會比通常認為的更高。

　　中子星的性質研究是一個重要的前沿課題，可通過天文觀測、重離子碰撞等不同方式進行研究。本研究通過原子核質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量和半徑的關係。