廣袤無垠的宇宙中充滿了令人驚嘆的奇觀，其中包括著絢麗多彩的超新星爆發(fā)、吞噬一切的黑洞，還有小巧卻異常致密的中子星……
自從科學(xué)家在20世紀(jì)60年代首次發(fā)現(xiàn)中子星以來，人們對這種密度驚人的神秘天體產(chǎn)生了濃厚的興趣，并通過多種手段進(jìn)行了大量的探索。最近，在《自然·物理》雜志上發(fā)表的一篇論文中，科學(xué)家通過精確測量原子核的質(zhì)量，從全新的角度揭示了中子星的性質(zhì)。
中子星可以說是一種極其獨(dú)特的天體。它既是一個(gè)“大胖子”，質(zhì)量約為太陽的兩倍；同時(shí)又是一個(gè)“小不點(diǎn)”，直徑只有約20千米。除了黑洞和一些假設(shè)的天體（如白洞、夸克星和奇異星）外，中子星是已知的最致密的天體。每立方厘米的中子星物質(zhì)重量高達(dá)數(shù)億噸。
中子星是如何形成的呢？科學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)恒星的壽命走到盡頭時(shí)，恒星會經(jīng)歷引力坍縮，形成殘留物，而中子星就是其中一種。如果殘余物的質(zhì)量超過一定極限，不足以支撐中子星的形成，那么它將繼續(xù)坍縮并形成黑洞。
一旦中子星形成，它就不再主動產(chǎn)生熱量，并且會隨著時(shí)間的推移逐漸冷卻。然而，中子星仍然可能通過碰撞或者吸積鄰近天體的物質(zhì)而進(jìn)一步演化。
中子星的表面存在著強(qiáng)大的磁場和劇烈的X射線輻射。在中子星與伴星（通常是紅巨星）組成的雙星系統(tǒng)中，會發(fā)生Ⅰ型X射線暴，這是已知的最頻繁的天體核爆過程之一，也是太空望遠(yuǎn)鏡能夠觀察到的最亮的天文現(xiàn)象之一。中子星強(qiáng)大的引力會將伴星富含氫和氦燃料的物質(zhì)吸積到中子星的表面。當(dāng)這些物質(zhì)的溫度和密度達(dá)到一定程度時(shí)，熱核反應(yīng)將被點(diǎn)燃，從而在10至100秒內(nèi)釋放出大量能量，形成X射線暴。
在X射線逃離中子星的過程中，它必須克服萬有引力的影響，這將導(dǎo)致X射線的頻率不斷降低，表現(xiàn)為光譜中的顏色從藍(lán)色變?yōu)榧t色，被稱為引力紅移。引力紅移效應(yīng)的大小與中子星的致密程度密切相關(guān)。因此，研究X射線暴為了解中子星性質(zhì)提供了重要的窗口。
科學(xué)家主要通過測量單位面積上沉積的X射線能量，即X射線光度曲線，來觀測X射線暴。然而，由于中子星存在引力紅移效應(yīng)，在地球上觀測到的中子星X射線光度曲線與其表面的光度曲線存在差異。如果能夠準(zhǔn)確獲取中子星表面的X射線光度曲線，并將其與地球天文觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以得到有關(guān)中子星與地球之間距離的信息。此外，科學(xué)家還可以通過提取引力紅移系數(shù)的大小來獲得有關(guān)中子星致密性的相關(guān)信息。
要獲得這些信息，準(zhǔn)確模擬中子星表面的熱核反應(yīng)過程是研究的關(guān)鍵�？焖儋|(zhì)子俘獲過程是驅(qū)動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)定線的短壽命中子缺失原子核。其中，鍺-64等原子核在這一過程中起著重要作用，被科學(xué)家稱為“等待點(diǎn)核”。
鍺-64可以看作是核反應(yīng)路徑上的一個(gè)“十字路口”，它是在核反應(yīng)進(jìn)行到中等質(zhì)量核區(qū)時(shí)遇到的一個(gè)重要的“瓶頸”。鍺-64附近原子核的質(zhì)量，特別是砷-65和硒-66的質(zhì)量，對于核反應(yīng)的路徑和能量釋放具有重大影響，并進(jìn)一步?jīng)Q定了X射線暴殘余物中元素的豐度，以及光度曲線的形狀和持續(xù)時(shí)間等。因此，精確測量鍺-64附近原子核的質(zhì)量對于深入了解X射線暴和確定中子星的性質(zhì)非常重要。
從實(shí)驗(yàn)室到宇宙星空，原子核的質(zhì)量雖然微小，但在研究中子星性質(zhì)中扮演著重要的角色。中國科學(xué)院近代物理研究所的原子核質(zhì)量測量團(tuán)隊(duì)與合作伙伴利用蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)以及全新的質(zhì)譜技術(shù)，精確測量了一系列關(guān)鍵原子核的質(zhì)量，以研究中子星表面的X射線暴，并從全新的角度限制了中子星的性質(zhì)。
在2011年，近代物理研究所的原子核質(zhì)量測量團(tuán)隊(duì)首次測量了短壽命原子核砷-65的質(zhì)量，它是鍺-64發(fā)生質(zhì)子俘獲后的產(chǎn)物，為研究快速質(zhì)子俘獲過程中的鍺-64“等待點(diǎn)核”問題提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。然而，要完全了解鍺-64周圍的核反應(yīng)流，明確鍺-64的雙質(zhì)子俘獲產(chǎn)物硒-66以及其他相關(guān)原子核的質(zhì)量也非常重要。
然而，這些原子核的產(chǎn)量極低且壽命很短，導(dǎo)致測量的難度很大。多年來，相關(guān)研究一直未能取得突破。經(jīng)過十多年的努力，原子核質(zhì)量測量團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種全新的等時(shí)性質(zhì)譜技術(shù)，稱為“磁剛度識別的等時(shí)性質(zhì)譜術(shù)”。這種新型質(zhì)譜技術(shù)具有高精度、單離子敏感、高效率、短測量時(shí)間和無背景干擾等優(yōu)點(diǎn)，是目前國際上最先進(jìn)的短壽命、低產(chǎn)量原子核質(zhì)量測量方法之一。
利用這種新型質(zhì)譜技術(shù)，近代物理研究所與多個(gè)合作單位精確測量了砷-64、砷-65、硒-66、硒-67、鍺-63等原子核的質(zhì)量，從而在實(shí)驗(yàn)上首次確定了與鍺-64的“等待點(diǎn)核”相關(guān)的所有核反應(yīng)能，同時(shí)還首次測量了砷-64和硒-66的質(zhì)量，提高了其他原子核質(zhì)量的精度。
通過研究新的原子核質(zhì)量結(jié)果對X射線暴和中子星性質(zhì)的影響，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些新結(jié)果改變了快速質(zhì)子俘獲過程的特性，使X射線光度曲線的峰值增加，持續(xù)時(shí)間延長。通過與目前觀測到的X射線暴光度曲線（代號為GS1826-24）進(jìn)行對比，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該中子星與地球之間的距離比之前預(yù)計(jì)的要更遠(yuǎn)（增加了6.5%），同時(shí)中子星表面的引力紅移系數(shù)也需要降低4.8%。
中子星表面引力紅移系數(shù)的變化意味著中子星的密度比預(yù)期要低一些。此外，鍺-64等原子核質(zhì)量的變化導(dǎo)致快速質(zhì)子俘獲過程的反應(yīng)產(chǎn)物豐度分布發(fā)生變化，這意味著X射線暴后中子星外殼的溫度可能比通常認(rèn)為的要高。
研究中子星的性質(zhì)是一個(gè)重要的前沿課題，可以通過天文觀測和重離子碰撞等不同方法進(jìn)行研究。在這項(xiàng)研究中，科研團(tuán)隊(duì)通過精確測量原子核的質(zhì)量，結(jié)合理論計(jì)算獲得了中子星表面更準(zhǔn)確的X射線暴光度曲線，并與天文觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從全新的角度限制了中子星質(zhì)量和半徑之間的關(guān)系。這項(xiàng)研究為我們更深入地了解中子星提供了重要的信息。
