科学家们发现了证据，证明大质量恒星和超新星的天体物理学模型与伽马射线天文学观测结果不一致。
这一发现得益于国际研究团队采用了一种创新性的新型实验方法，研究了一种不稳定同位素的不确定核性质。
密歇根州立大学 (Michigan State University，简称 MSU) 和稀有同位素束装置 (Facility for Rare Isotope Beams，简称 FRIB) 的物理学教授阿特米斯·斯派鲁 (Artemis Spyrou) 带领一个国际团队，采用开创性的实验方法，研究了一种稀有且不稳定的同位素——铁-60。这项研究由 FRIB 化学教授兼实验核科学部门负责人肖恩·利迪克 (Sean Liddick) 以及 FRIB 的 11 名研究生和博士后研究人员共同参与，并于 11 月 7 日发表在《自然·通讯》上。
探究铁-60的起源
铁-60令天体物理学家着迷，因为它在大质量恒星内部形成，并在超新星爆炸期间散布在整个星系中。为了研究这种难以捉摸的同位素，斯皮鲁的团队在国家超导回旋加速器实验室（密歇根州立大学稀有同位素束装置FRIB的前身）进行了实验。他们的方法是与来自挪威奥斯陆大学的核能与能源物理学教授安-塞西莉·拉森和荣誉退休教授马格内·古托姆森合作开发的。
斯皮鲁（Spyrou）说：“我们此次合作的独特之处在于，我们将自己在核反应、同位素束和β衰变方面的专业知识结合起来，以了解一种我们无法直接测量的反应。对于本文而言，我们试图测量我们所关注的反应周围足够多的特性，以便我们能比以前更好地对其进行限制。”
推进天体物理模型
铁-60作为不稳定的同位素，其半衰期长达200多万年，因此它为产生它的超新星留下了持久的印记。具体而言，铁-60在衰变过程中会释放出伽马射线，科学家可对其进行测量和分析，从而获取有关恒星生命周期及其爆炸性死亡机制的线索。物理学家依赖这些数据来创建和改进天体物理模型。
利迪克（Liddick）说：“核科学的总体目标之一是建立一个全面的原子核预测模型，准确描述任何原子系统的核特性，但我们目前还没有实现这个目标。我们得先通过实验测量这些过程。”科学家需要生成这些稀有同位素，对其进行观察，然后将观察结果与模型预测进行比较，以检验其准确性。
斯皮鲁表示：“要研究这些原子核，我们不可能直接在地球上找到它们。我们必须自己制造。而这正是 FRIB 的专长——获取我们能够找到的稳定同位素，对其进行加速、分裂，然后产生这些可能仅存在几毫秒的奇异同位素，以便我们研究。”为此，斯皮鲁及其团队设计了一项具有双重目的的实验：首先，他们的目的是限制将同位素铁-59转变为铁-60的中子捕获过程；其次，他们想利用所得数据来研究超新星模型预测与观测到的这些同位素痕迹之间长期存在的不一致。
开创β-奥斯陆法
虽然铁-60的半衰期相对较长，但其相邻元素铁-59的稳定性较差，其半衰期为44天。这使得在实验室中测量铁-59的中子捕获变得尤其具有挑战性，因为合理测量尚未进行，它就已经衰变了。为了克服这个问题，科学家们开发了自己在实验上约束该反应的间接方法。
Spyrou和Liddick与奥斯陆大学的同事们密切合作，开发了一种研究这些极不稳定同位素的新方法。这种方法被称为“β-奥斯陆方法”，是项目合著者古托姆森（Guttormsen）在奥斯陆回旋加速器实验室首次开发的“奥斯陆方法”的变种。古托姆森的方法利用核反应使原子核布居，从而供研究人员测量其属性。几十年来，该方法已被证明在天体物理学和核结构领域具有许多应用，但只能应用于（近）稳定同位素。通过结合在探测、β衰变和反应方面的专业知识，研究人员设计了一种利用β衰变本身而非反应来使目标原子核布居的方法。这种创新方法使他们能够更高效地获得所需的同位素，并为约束短寿命原子核上的中子俘获反应提供了一条路径。
斯皮鲁表示：“β-奥斯陆方法仍是唯一一种可以为我们提供远离稳定性的奇异原子核的部分约束条件的技术。”
改进恒星模型
在限制了产生铁-60的核反应网络中的这些关键不确定性之后，斯皮鲁（Spyrou）的团队得出结论：这种反应在巨大恒星内部发生的可能性比模型预测的高出两倍。研究人员现在认为，超新星的理论模型存在缺陷，并且恒星还有一些特定的属性仍被错误地表述。研究人员在论文结论中指出：“解开谜团的答案必须从恒星建模中寻找，例如，通过减小恒星自转、假设大质量恒星的爆炸性质量极限更小，或修改其他恒星参数。”
这一发现不仅对大质量恒星及其内部环境的理论理解具有深远影响，还进一步证明了β-奥斯陆方法将成为科学家未来研究的重要工具。“如果没有奥斯陆大学的项目合作伙伴，我们不可能取得今天的成果，他们在密歇根州立大学2014年的一次研讨会上介绍了奥斯陆方法，这启发了阿特米斯（Artemis）和我，”利迪克（Liddick）表示。“我们在当天向他们提出了利用β衰变的问题，并就此展开了讨论。自那以后，我们一直在合作，我坚信我们将继续长期合作下去。”
参考文献：《大质量恒星中60Fe的增产》，作者：A. Spyrou、D. Richman、A. Couture、C. E. Fields、S. N. Liddick、K. Childers、B. P. Crider、P. A. DeYoung、A. C. Dombos、P. Gastis、M. Guttormsen、K. Hermansen、A. C. Larsen、R. Lewis、S. Lyons、J. E. Midtbø、S. Mosby、D. Muecher、F. Naqvi、A. Palmisano-Kyle、G. Perdikakis、C. Prokop、H. Schatz、M. K. Smith、C. Sumithrarachchi 和 A. Sweet，发表于2024年11月7日，《自然-通讯》（Nature Communications）。DOI：10.1038/s41467-024-54040-4
密歇根州立大学 (MSU) 为美国能源部科学办公室 (DOE-SC) 运营稀有同位素束流设施 (FRIB)，作为用户设施，其资金来自美国能源部科学办公室核物理办公室，并致力于推进该办公室的使命。FRIB 拥有功能最强大的重离子加速器，能够让科学家发现稀有同位素的特性，从而更好地理解原子核物理学、核天体物理学、基本相互作用以及这些理论在社会中的应用，包括在医学、国土安全和工业领域的应用。
美国能源部科学办公室是美国对自然科学基础研究单项支持最大的机构，正在努力应对当今一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息，请访问energy.gov/science。
