实验室中的元素创造，让科学家们对中子星表面爆炸有更深的理解

发布时间：2023-06-02 10:49:21 所属栏目：外闻来源：

导读：由美国能源部橡树岭国家实验室的Kelly Chipps领导的科学家们在实验室中产生了一种发生在从伴星吞噬质量的中子星表面的特征核反应。他们的成就提高了对恒星过程产生不同同位素的理解。“从核物理和天体物理的角度

由美国能源部橡树岭国家实验室的Kelly Chipps领导的科学家们在实验室中产生了一种发生在从伴星吞噬质量的中子星表面的特征核反应。他们的成就提高了对恒星过程产生不同同位素的理解。“从核物理和天体物理的角度来看，中子星都非常有趣，”橡树岭国家实验室的天体物理学家Kelly Chipps说，他领导了一项发表在《物理评论快报》上的研究。“对它们的动力学有更深入的了解，可能有助于揭示从人到行星的一切元素的宇宙配方。”

Chipps领导了喷射实验在核结构和天体物理学（JENSA），该项目有来自三个国家的九个机构的合作者。该团队使用了一种独特的气体喷射系统，它将氦气体释放成世界上最大浓度。它是在加速器试验中用于理解在地球和宇宙之间同样物理过程的核反应,并且获得全球最大的氦气体喷射量。

核合成过程产生新的原子核。当质子或中子被捕获、交换或排出时，一种元素可以变成另一种元素。

中子星有巨大的引力，可以从附近的恒星捕获氢和氦。这些物质在中子星表面积累，直到它们在反复爆炸中点燃，产生新的化学元素。

许多驱动爆炸的核反应仍未被研究。现在，JENSA合作者在密歇根州立大学的一个实验室中产生了这些特征核反应之一。它直接束缚了以往理论模型用于预测元素形成,并加强了对构成同位素的恒星的动态影响。

JENSA系统是在橡树岭国家实验室建造的，现在位于密歇根州立大学运营的罕见同位素束流设施（FRIB），这是一个能源部科学办公室用设施。JENSA系统为加速器实验提供了一个轻质气体靶，该靶密度高、纯度高、局限在几毫米之内。JENSA还将为FRIB上的捕获反应分离器（SECAR）提供主要靶，SECAR是一个探测器系统，允许实验核天体物理学家直接测量驱动爆炸恒星的反应。ORNL 的 Michael Smith 和 Chipps 是 SECAR 项目团队的成员。

在当前的实验中，科学家们用一束氩-34击中了一个阿尔法粒子（氦-4核）靶。（同位素后面的数字表示其总质子数和中子数。这次聚变产生了钙-38核，它有20个质子和18个中子。由于这些核处于激发状态，它们喷射出质子，并最终变成钾-37核。

围绕气体喷射器周围的高分辨率带电粒子探测器精确地测量了质子反应产物的能量和角度。该测量利用了在核物理学家Steven Pain 的领导下在 ORNL 开发的探测器和电子设备。通过考虑能量和动量守恒,物理学家们反过来考虑反应的动力学。

实验室实验提高了对核反应的理解，这些核反应发生在物质落到中子星的一个重要子集的表面时。这些恒星是在一颗大质量恒星耗尽燃料并坍缩成一个大约与亚特兰大（乔治亚州）一样宽的球体时诞生的。然后，重力将基本粒子挤压到它们能够达到的最密集的状态，形成了我们可以直接观察到的最密集的物质。一茶匙中子星的重量相当于一座山。中子密集的恒星旋转得比搅拌机叶片还快，产生了宇宙中最强的磁场。它们有坚硬的外壳包围着液态核心，核心中含有像意大利面或千层面一样形状的物质，因此得到了“核面条”的绰号。

“由于中子星超密集，它巨大的引力可以从伴星那里拉过氢和氦。当这些物质落到表面时，密度和温度变得非常高，可能会发生一次热核爆炸，可以在表面传播，”Chipps说。热核失控将原子核转化为更重的元素。“反应序列可以产生数十种元素。”

表面爆炸并没有摧毁中子星，它会回到之前所做的事情：从伴星那里吸收物质并爆炸。反复爆炸将外壳材料拉入混合物中，在以前爆炸形成的重元素与氢和氦反应，形成一种奇怪的组成。

理论模型预测了哪些元素会形成。科学家们通常使用一种称为Hauser-Feshbach公式的统计理论模型来分析JENSA团队测量的反应，该模型假设一个核的激发能级连续体可以参与反应。其他模型则假设只有一个能参与。

一个问题仍然存在，即统计模型是否对发生在恒星而不是地球实验室中的这类反应有效。“我们的结果表明，统计模型对于这种特定的反应是有效的，这消除了我们对中子星理解的巨大不确定性，”Chipps说。“这意味着我们现在对这些核反应是如何进行的有了更好的把握。”

“在（原子）质量20和30之间，统计模型有效与无效之间的转变正在发生，”Chipps说。“下一步是寻找在这个范围中的反应，看看这种转变是在哪里发生的。”Chipps和她的JENSA合作者已经开始了这项工作。

美国能源部科学办公室、国家科学基金会和ORNL实验室指导研究与开发计划支持了这项工作。

（编辑：汽车网）

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