原子核质量精确测量揭示中子星性质物理》

广袤的宇宙，赋予了科学家们无尽的探索主题：极其灿烂绚丽的超新星爆发，能吞噬一切的黑洞，还有个头极小却质量超超超超重的中子星......

自上世纪60年代人类首次发现中子星以来，人们对这个密度惊人的神秘天体充满了好奇，通过多种手段进行了大量探索。而在5月1日发表于《自然-物理》(Nature Physics)杂志的一篇论文中，科学家们通过精确测量原子核的质量，从新的角度揭示了中子星的性质。

1.密度惊人的小不点

中子星，可以说是一种极其拧巴的天体。它是一个“大胖子”，质量大约有2倍的太阳质量；可同时它又是个“小不点”，直径只有20公里左右，还不如一些地球上的城市。除了黑洞和一些假设的天体(如白洞、夸克星、奇异星等)外，中子星是目前已知的最致密的星体。在中子星上，每立方厘米的物质足足有几亿吨。如果要使地球的密度和中子星相当，则需要把地球压缩至半径仅为150米的圆球，想想就恐怖！

图 中子星艺术图 图源| Casey Reed

中子星是怎么形成的呢？科学家们认为，当恒星寿命结束时，经过引力塌缩，在其核心会形成残余物，而中子星就是残余物的一种。如果残余星体的质量超过极限，不足以支撑中子星，它会继续坍缩形成黑洞。

一旦形成，中子星就不再主动产生热量，并随着时间的推移而冷却；然而，中子星仍可能通过碰撞或吸积临近星体的物质进一步演化。

大部分研究认为，中子星几乎完全由中子组成；电子和质子通过电子俘获结合形成中子。中子星依靠中子简并压与核子间的核排斥力对抗强大的引力。

中子星的表面还有强大的磁场和猛烈的X射线。I型X射线暴发生在中子星与伴星（通常是一颗红巨星）组成的双星系统中，是目前已知的最频繁的天体热核爆发过程，也是太空望远镜所能观察到的最亮的天文现象之一。

图 中子星与伴星组成的双星系统的示意图 图源| NASA/CXC/M. WEISS

中子星强大的引力将伴星中富含氢和氦的燃料吸积到中子星的表面。当这些燃料的温度和密度达到一定程度时，热核反应会被点燃，在10-100秒时间内释放出大量能量，形成X射线暴。

2.从原子核到中子星

X射线暴为研究中子星性质提供了窗口。X射线在逃离中子星的过程中需要克服万有引力的影响，将一部分自身能量转换为重力势能。该过程会导致X射线的频率不断降低，颜色从蓝到红，被称为“引力红移”。引力红移效应的大小与中子星自身的致密性条件息息相关。

图 引力红移效应示意图 图源| VLAD2I和MAPOS

天文实验主要通过测量每秒在单位面积上沉积的X射线能量，即X射线光度曲线，来观测X射线暴。然而，由于中子星的引力红移效应，使得地球上观测到的X射线光度曲线和中子星表面的光度曲线存在差异。

如果能准确得到X射线暴在中子星表面的光度曲线，并将其与地球天文观测数据进行比较，可以得到中子星与地球的距离信息；还可以提取引力红移系数的大小，得到中子星致密性的信息。而能否准确地模拟中子星表面的热核反应过程是研究的关键。

快速质子俘获过程是驱动X射线暴的主要热核反应之一，涉及到一系列远离稳定线的短寿命缺中子原子核。其中，锗-64等原子核扮演着非常重要的角色，被科学家称之为“等待点核”。

图 I型X射线暴发生的热核反应路径包含3反应(绿线)、突破过程(红线)和快质子俘获过程(蓝线) 。图源| 参考文献3

锗-64就像是核过程路径上的一个“十字路口”，是核反应进行到中等质量核区时遇到的一个重要的拥堵路段。锗-64附近的原子核质量，尤其是砷-65、硒-66的质量，对核反应的走向和能量释放具有重大的影响，并进一步决定了X射线暴灰烬中的元素丰度、光度曲线的形状和持续时间等。

图“等待点”锗-64附近的核素图。图源|nature physics

因此，精确测量锗-64附近原子核的质量，对于深入理解X射线暴和确定中子星的性质非常重要。

3.“小质量”发挥“大作用”

原子核的质量虽然极其轻微，却在中子星性质的研究中发挥着重要作用。

中国科学院近代物理研究所原子核质量测量团队与合作者基于兰州重离子加速器冷却储存环，利用国际首创的新型质谱术，精确测量了一批关键原子核的质量，研究了中子星表面的X射线暴，从新的角度约束了中子星的性质，成果发表在《自然-物理》上。

2011年，近代物理所质量测量团队首次测量了短寿命原子核砷-65的质量，它是锗-64的质子俘获产物，为研究快速质子俘获过程中锗-64等待点核问题提供了关键数据。但要想彻底明确锗-64周围的核反应流，锗-64的双质子俘获产物硒-66及其他附近原子核的质量也非常重要。

然而，这些原子核的产额极低、寿命很短，测量难度大，多年来国际上一直未能突破。

历经十余年努力，该团队研发了新一代等时性质谱术，并将其命名为“磁刚度识别的等时性质谱术”。新型质谱术具有高精度、单离子灵敏、高效率、短测量时间、无背景污染等优点，是目前国际上最先进的短寿命、低产额原子核质量测量方法之一。

图 兰州重离子冷却储存环（实验环）示意图。新型质谱术可同步高精度测得短寿命离子的循环周期与速度。

利用新型质谱术，近代物理所联合多家单位精确测量了砷-64、砷-65、硒-66、硒-67、锗-63等原子核的质量，从而在实验上首次确定了与等待点核锗-64相关的所有核反应能。其中，砷-64和硒-66的质量是国际上首次测量，其他原子核的质量精度均得到提高。

图 基于兰州重离子加速器的原子核质量测量探测装置 图源| 近代物理所

通过研究新的原子核质量结果对X射线暴和中子星性质的影响，研究团队发现新的结果使快速质子俘获过程发生了变化，X射线光度曲线峰值增加、尾部持续时间延长。

对比目前天文观测数据最丰富的、代号为GS 1826-24的中子星X射线暴观测光度曲线，团队发现该中子星与地球之间的距离更远（需增加6.5%）、中子星表面引力红移系数需要降低4.8%。

中子星表面引力红移系数的上述变化意味着中子星密度比预想的要低一些。另外，质量变化导致快速质子俘获过程反应产物丰度分布发生变化，意味着X射线暴后中子星外壳的温度会比通常认为的更高。

“小质量”发挥了“大作用”。中子星的性质研究是一个重要的前沿课题，可通过天文观测、重离子碰撞等不同方式进行研究。在本研究中，科研团队通过精确测量原子核的质量，结合理论计算得到中子星表面更精确的X射线暴光度曲线，和天文观测比较，从新的角度约束了中子星的质量和半径的关系。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41567-023-02034-2

作者| 颜鑫亮 周旭 王猛

编辑| 刘芳

本工作由来自近代物理所、先进能源科学与技术广东省实验室、北京大学、兰州大学、北京师范大学、东华理工大学等单位的科研人员与德国、美国的科研人员合作完成。研究得到科技部重点研发计划、中科院战略性先导科技专项（B类）、中科院稳定支持青年团队、自然科学基金委等项目的支持。

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