精确测量原子核质量 从新角度揭示中子星性质

2025-02-19 19:56:34阅读量:8 字体:大 中 小

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。

精确测量原子核质量 从新角度揭示中子星性质

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。

推荐阅读

  • 如果这个女人没有死 就不会有玄武门之变(平阳公主)

    如果这个女人没有死 就不会有玄武门之变(平阳公主)

    如果平阳公主没有死,李世民根本不敢发起玄武门之变。如果说在整个中国古代的历史上有什么十分重大的转折点的话,那么不可缺少的就一定是玄武门之变,也正是因为有了玄武门之变,所以才有了李世民当皇帝,开创了唐朝...

    阅读: 2088

  • 中国史上最荒唐的皇帝 把姐姐姑姑招入后宫(荒唐皇帝)

    中国史上最荒唐的皇帝 把姐姐姑姑招入后宫(荒唐皇帝)

    刘子业把姑姑和姐姐收进后宫,还把叔叔当猪来喂。在中国历史上往往一个朝代随着位置的继承也让皇帝变得越来越昏庸无道,也出现了不少荒唐的皇帝,比如说在魏晋南北朝时期,17岁就继承了皇帝位置的刘子,也就是史上...

    阅读: 1667

  • 人类文明只有0.7级  如果宇宙深处爆发战争 我们能观测到吗

    人类文明只有0.7级 如果宇宙深处爆发战争 我们能观测到吗

    根据卡尔达舍夫文明等级理论,人类目前的文明只发展到了0.7级,远远没有达到更高的文明等级。宇宙如此广阔,很可能存在比人类高级多的文明。卡尔达舍夫文明等级理论最初由前苏联天文学家尼古拉·卡...

    阅读: 3257

  • 未来7周 四大生肖吉星照耀 贵人相助 喜事铺天盖地

    未来7周 四大生肖吉星照耀 贵人相助 喜事铺天盖地

    生肖龙、生肖猪、生肖羊、生肖牛在未来7周会有贵人相助,喜事铺天盖地,在我国的传统文化中,生肖也会有被认为会影响人们的运势和财运,因此,了解自己的生肖特征和运势显得尤为重要。1、生肖龙生肖龙的人一般来说...

    阅读: 1907

  • 2023年5月开始  福运旺盛  天生福气满满的三大星座

    2023年5月开始 福运旺盛 天生福气满满的三大星座

    2023年5月,又到了一年中最美好的时光。在这个月份,有三大星座的朋友将迎来好运连连,分别是天秤座,摩羯座,巨蟹座。1、天秤座天秤座的朋友,天生具备领导力和团队合作能力,很善于察言观色,把握人情世故。...

    阅读: 3504

  • 2023年5月4号发财日  财神贵人齐助力 横财大发  富贵多金的生肖

    2023年5月4号发财日 财神贵人齐助力 横财大发 富贵多金的生肖

    生肖猴、生肖狗、生肖鼠这三大生肖在2023年5月4日的发财日会有财神贵人齐助力,横财不断,富贵多金。生肖是我国民间传统文化的一部分,由十二种动物所组成,即鼠、牛、虎、兔、龙、蛇、马、羊、猴、鸡、狗、猪...

    阅读: 852

  • 5月4日起 运势大吉大吉 3生肖处处掀起风暴

    5月4日起 运势大吉大吉 3生肖处处掀起风暴

    5月4日起运势大吉大吉3大生肖是生肖猪、生肖马、生肖狗。每个人都有属于自己的命运和运势,其中生肖的影响也不可忽视。不同的生肖代表着不同的性格特点和运势趋势,对于相信命运的人来说,了解自己的生肖运势是十...

    阅读: 2421

  • 50多年前 字航员在月球上扔了96袋纸尿裤 如今却成无价之空

    50多年前 字航员在月球上扔了96袋纸尿裤 如今却成无价之空

    科技的不断发展和人类对宇宙的探索愈发深入,太空探索也成为了人类科学发展的重要领域之一。在人类历史上,人类探索太空的里程碑之一就是美国阿波罗号成功登月。这次登月行动留下了一个有趣的历史记录,那就是96袋...

    阅读: 3389

  • 你知道哪些历史上真实存在过的奇奇怪怪职业?

    你知道哪些历史上真实存在过的奇奇怪怪职业?

    Gong scourer:除了收集和出售人类排泄物的锣农,中世纪城镇还有负责清理下水道和下水道的锣清洁工。龚农:在中世纪的英国,没有室内管道系统,所以人们用便壶来收集他们的排泄物。贡农负责收集和处理这...

    阅读: 592

  • 木乃伊诅咒:是真实存在还是迷信?

    木乃伊诅咒:是真实存在还是迷信?

    木乃伊一直以来都是一个充满神秘和诡异的话题。它们作为古代文物存在于人类历史的长河中,它们代表了古代文明的辉煌和荣耀。然而,在人们的口耳相传中,似乎在这些木乃伊的古老遗物中,还隐藏着一种可怕的力量&md...

    阅读: 2257

热门文章