一個(gè)國際科研團(tuán)隊(duì)在密西根州立大學(xué)稀有同位素束流設(shè)施（FRIB）的引領(lǐng)下，近日揭示了天體物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要矛盾：大質(zhì)量恒星和超新星的理論模型與伽馬射線天文學(xué)的觀測(cè)數(shù)據(jù)之間存在顯著偏差。這一突破性發(fā)現(xiàn)得益于團(tuán)隊(duì)對(duì)一種不穩(wěn)定同位素——鐵-60的核特性研究，他們采用了前所未有的實(shí)驗(yàn)方法。
該研究的核心人物是FRIB物理學(xué)教授、密西根州立大學(xué)物理與天文學(xué)系的Artemis Spyrou。他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)還包括FRIB化學(xué)系副教授、密西根州立大學(xué)化學(xué)系與FRIB實(shí)驗(yàn)核科學(xué)系負(fù)責(zé)人Sean Liddick，以及11名來自FRIB的研究生和博士后研究人員。他們的研究成果已在《自然·通訊》期刊上發(fā)表。
鐵-60因其獨(dú)特的起源和性質(zhì)而備受天體物理學(xué)家的關(guān)注。它源自大質(zhì)量恒星內(nèi)部，并在超新星爆發(fā)時(shí)被拋射到整個(gè)銀河系。為了深入研究這種同位素，Spyrou教授的團(tuán)隊(duì)在國家超導(dǎo)回旋加速器實(shí)驗(yàn)室（FRIB的前身）開展了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，采用了一種由挪威奧斯陸大學(xué)的核物理專家Ann-Cecilie Larsen和榮譽(yù)退休教授Magne Guttormsen開發(fā)的新方法。
Spyrou教授介紹道：“我們此次合作的獨(dú)特之處在于，將核反應(yīng)、同位素束以及β衰變的專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，探究了一種無法直接測(cè)量的反應(yīng)。我們發(fā)表在《自然·通訊》上的論文旨在精確測(cè)量我們感興趣的大量反應(yīng)特性，以便更準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行限制?！?/p>
鐵-60作為不穩(wěn)定同位素，具有長達(dá)200多萬年的半衰期，這為科學(xué)家們提供了研究超新星的重要線索。鐵-60在衰變過程中釋放出的伽馬射線，成為了科學(xué)家們探尋恒星生命周期及其爆炸死亡機(jī)制的關(guān)鍵。物理學(xué)家正是依賴這些寶貴的數(shù)據(jù)來構(gòu)建和完善天體物理模型。
然而，現(xiàn)有的天體物理模型在預(yù)測(cè)罕見天體物理事件時(shí)仍存在不足。Liddick副教授指出：“我們的總體目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)全面且可預(yù)測(cè)的原子核模型，以精確描述任何原子系統(tǒng)的核特性。但這一目標(biāo)尚未實(shí)現(xiàn)，我們必須通過實(shí)驗(yàn)對(duì)這些過程進(jìn)行精確測(cè)量?！笨茖W(xué)家們需要制造這些稀有同位素，觀察它們的性質(zhì)，并將發(fā)現(xiàn)與模型預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比。
Spyrou教授進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：“要研究這些原子核，我們必須主動(dòng)制造它們，而非依賴地球上的自然發(fā)現(xiàn)。這正是FRIB的專長所在——獲取穩(wěn)定同位素，對(duì)它們進(jìn)行加速、破碎，產(chǎn)生壽命極短的奇異同位素，以便深入研究?！睘榇?，Spyrou教授及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)雙重目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)：一是限制鐵-59轉(zhuǎn)化為鐵-60的中子捕獲過程；二是利用這些數(shù)據(jù)探究超新星模型預(yù)測(cè)與實(shí)際觀測(cè)到的同位素痕跡之間的差異。
盡管鐵-60的半衰期較長，但其相鄰的同位素鐵-59的半衰期僅為44天，穩(wěn)定性較差，這極大地增加了在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量其中子捕獲過程的難度。為了解決這一難題，科學(xué)家們開發(fā)了一種間接的實(shí)驗(yàn)方法來限制這一反應(yīng)。Spyrou教授和Liddick教授攜手奧斯陸大學(xué)的同仁，共同研發(fā)出了一種針對(duì)極不穩(wěn)定同位素的全新研究方法——β-奧斯陸方法。
該方法源自項(xiàng)目合作者Guttormsen在奧斯陸回旋加速器實(shí)驗(yàn)室開創(chuàng)的改良版奧斯陸方法。Spyrou教授等研究人員憑借在探測(cè)、β衰變和反應(yīng)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出一種全新的方式，利用β衰變過程本身而非傳統(tǒng)的反應(yīng)來填充靶核。這一創(chuàng)新方法不僅提高了生成所需同位素的效率，還為限制短壽命原子核上的中子俘獲反應(yīng)提供了一條可行的路徑。
Spyrou教授表示：“β-奧斯陸方法是唯一能夠?yàn)槲覀兗s束偏離穩(wěn)定狀態(tài)的奇異原子核的技術(shù)?！痹谟行拗飘a(chǎn)生鐵-60的核反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵不確定性后，Spyrou教授的團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論：在大質(zhì)量恒星內(nèi)部，這種反應(yīng)發(fā)生的可能性比模型預(yù)測(cè)的高出兩倍。研究人員認(rèn)為，超新星的理論模型存在缺陷，一些特定的恒星特性尚未得到準(zhǔn)確表示。
Liddick教授表示：“沒有奧斯陸大學(xué)的項(xiàng)目合作伙伴，這一切都無法實(shí)現(xiàn)。在一次研討會(huì)上，他們介紹的奧斯陸方法對(duì)我們產(chǎn)生了深刻啟發(fā)。自那時(shí)起，我們一直緊密合作，我相信這種合作將持續(xù)下去?！边@一發(fā)現(xiàn)不僅加深了對(duì)大質(zhì)量恒星及其內(nèi)部條件的理解，還證明了β-奧斯陸方法將成為未來研究的重要工具。
