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，也是太空望遠鏡所能觀察到的最亮的天文現(xiàn)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面。當這些燃料的溫度和密度達到一定程度時，熱核反應(yīng)會被點燃，在10-100秒時間內(nèi)釋放出大量能量，形成X射線暴。X射線暴為剖析中子星性質(zhì)提供了窗口。
快速質(zhì)子俘獲過程是驅(qū)動X射線暴的主要熱核反應(yīng)之一，涉及一系列遠離穩(wěn)定線的短壽命缺中子原子核。其中，鍺-64具有重要作用，被科學(xué)家稱為“等待點核”。精確測量鍺-64附近原子核的質(zhì)量，對探討X射線暴和確定中子星性質(zhì)頗為重要。
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等待點核問題提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。若要徹底明確鍺-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)量至關(guān)重要。然而，硒-66的產(chǎn)生截面比砷-65低一個量級，測量難度更大，多年來未能突破。
質(zhì)量測量團隊基于蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)研發(fā)了新一代等時性質(zhì)譜術(shù)，將其命名為“磁剛度識別的等時性質(zhì)譜術(shù)”。新型質(zhì)譜術(shù)具有高精度、單離子靈敏、高效率、短測量時間、無背景污染等優(yōu)點，是目前國際上最先進的短壽命、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)，研究團隊精確測量了砷-64、砷-65、硒-66、硒-67、鍺-63等原子核的質(zhì)量，從而在實驗上首次確定了等待點核鍺-64相關(guān)的所有核反應(yīng)能。其中，砷-64和硒-66的質(zhì)量是首次測量，其他原子核的質(zhì)量精度均得到提高。
通過探究新的原子核質(zhì)量結(jié)果對X射線暴和中子星性質(zhì)的影響，該團隊發(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)時間延長。研究發(fā)現(xiàn)，與目前天文觀測數(shù)據(jù)最豐富的代號為GS 1826-24中子星的X射線暴對比，該中子星與地球之間的距離更遠(需增加6.5%)、中子星表面引力紅移系數(shù)需要降低4.8%。上述中子星表面引力紅移系數(shù)的變化意味著中子星密度比預(yù)想的低一些，而X射線暴后中子星外殼的溫度比通常認為的更高。
中子星的性質(zhì)研究是前沿課題，可通過天文觀測、重離子碰撞等不同方式開展研究。本工作通過原子核質(zhì)量測量得到更精確的X射線暴光度曲線，同時與天文觀測比較，從新的角度約束了中子星的質(zhì)量和半徑的關(guān)系。
上述研究由近代物理所、先進能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室、北京大學(xué)、蘭州大學(xué)、北京師范大學(xué)、東華理工大學(xué)等的科研人員，以及德國、美國的科研人員合作完成。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、國家自然科學(xué)基金等的支持。
基于蘭州重離子加速器的原子核質(zhì)量測量探測裝置
