精确测量原子核质量 从新角度揭示中子星性质

广袤无垠的宇宙中充满了令人惊叹的奇观，其中包括着绚丽多彩的超新星爆发、吞噬一切的黑洞，还有小巧却异常致密的中子星……

自从科学家在20世纪60年代首次发现中子星以来，人们对这种密度惊人的神秘天体产生了浓厚的兴趣，并通过多种手段进行了大量的探索。最近，在《自然·物理》杂志上发表的一篇论文中，科学家通过精确测量原子核的质量，从全新的角度揭示了中子星的性质。

中子星可以说是一种极其独特的天体。它既是一个“大胖子”，质量约为太阳的两倍；同时又是一个“小不点”，直径只有约20千米。除了黑洞和一些假设的天体（如白洞、夸克星和奇异星）外，中子星是已知的最致密的天体。每立方厘米的中子星物质重量高达数亿吨。

中子星是如何形成的呢？科学家认为，当恒星的寿命走到尽头时，恒星会经历引力坍缩，形成残留物，而中子星就是其中一种。如果残余物的质量超过一定极限，不足以支撑中子星的形成，那么它将继续坍缩并形成黑洞。

一旦中子星形成，它就不再主动产生热量，并且会随着时间的推移逐渐冷却。然而，中子星仍然可能通过碰撞或者吸积邻近天体的物质而进一步演化。

中子星的表面存在着强大的磁场和剧烈的X射线辐射。在中子星与伴星（通常是红巨星）组成的双星系统中，会发生Ⅰ型X射线暴，这是已知的最频繁的天体核爆过程之一，也是太空望远镜能够观察到的最亮的天文现象之一。中子星强大的引力会将伴星富含氢和氦燃料的物质吸积到中子星的表面。当这些物质的温度和密度达到一定程度时，热核反应将被点燃，从而在10至100秒内释放出大量能量，形成X射线暴。

在X射线逃离中子星的过程中，它必须克服万有引力的影响，这将导致X射线的频率不断降低，表现为光谱中的颜色从蓝色变为红色，被称为引力红移。引力红移效应的大小与中子星的致密程度密切相关。因此，研究X射线暴为了解中子星性质提供了重要的窗口。

科学家主要通过测量单位面积上沉积的X射线能量，即X射线光度曲线，来观测X射线暴。然而，由于中子星存在引力红移效应，在地球上观测到的中子星X射线光度曲线与其表面的光度曲线存在差异。如果能够准确获取中子星表面的X射线光度曲线，并将其与地球天文观测数据进行比较，就可以得到有关中子星与地球之间距离的信息。此外，科学家还可以通过提取引力红移系数的大小来获得有关中子星致密性的相关信息。

要获得这些信息，准确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中子缺失原子核。其中，锗-64等原子核在这一过程中起着重要作用，被科学家称为“等待点核”。

锗-64可以看作是核反应路径上的一个“十字路口”，它是在核反应进行到中等质量核区时遇到的一个重要的“瓶颈”。锗-64附近原子核的质量，特别是砷-65和硒-66的质量，对于核反应的路径和能量释放具有重大影响，并进一步决定了X射线暴残余物中元素的丰度，以及光度曲线的形状和持续时间等。因此，精确测量锗-64附近原子核的质量对于深入了解X射线暴和确定中子星的性质非常重要。

从实验室到宇宙星空，原子核的质量虽然微小，但在研究中子星性质中扮演着重要的角色。中国科学院近代物理研究所的原子核质量测量团队与合作伙伴利用兰州重离子加速器冷却储存环以及全新的质谱技术，精确测量了一系列关键原子核的质量，以研究中子星表面的X射线暴，并从全新的角度限制了中子星的性质。

在2011年，近代物理研究所的原子核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发生质子俘获后的产物，为研究快速质子俘获过程中的锗-64“等待点核”问题提供了关键数据。然而，要完全了解锗-64周围的核反应流，明确锗-64的双质子俘获产物硒-66以及其他相关原子核的质量也非常重要。

然而，这些原子核的产量极低且寿命很短，导致测量的难度很大。多年来，相关研究一直未能取得突破。经过十多年的努力，原子核质量测量团队开发了一种全新的等时性质谱技术，称为“磁刚度识别的等时性质谱术”。这种新型质谱技术具有高精度、单离子敏感、高效率、短测量时间和无背景干扰等优点，是目前国际上最先进的短寿命、低产量原子核质量测量方法之一。

利用这种新型质谱技术，近代物理研究所与多个合作单位精确测量了砷-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锗-64的“等待点核”相关的所有核反应能，同时还首次测量了砷-64和硒-66的质量，提高了其他原子核质量的精度。

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，研究团队发现这些新结果改变了快速质子俘获过程的特性，使X射线光度曲线的峰值增加，持续时间延长。通过与目前观测到的X射线暴光度曲线（代号为GS1826-24）进行对比，研究团队发现该中子星与地球之间的距离比之前预计的要更远（增加了6.5%），同时中子星表面的引力红移系数也需要降低4.8%。

中子星表面引力红移系数的变化意味着中子星的密度比预期要低一些。此外，锗-64等原子核质量的变化导致快速质子俘获过程的反应产物丰度分布发生变化，这意味着X射线暴后中子星外壳的温度可能比通常认为的要高。

研究中子星的性质是一个重要的前沿课题，可以通过天文观测和重离子碰撞等不同方法进行研究。在这项研究中，科研团队通过精确测量原子核的质量，结合理论计算获得了中子星表面更准确的X射线暴光度曲线，并与天文观测数据进行比较，从全新的角度限制了中子星质量和半径之间的关系。这项研究为我们更深入地了解中子星提供了重要的信息。