天文学家发现现有的恒星和超新星模型缺陷
BALI @ 2024.11.15 , 07:05 上午一支国际研究团队发现，当前大质量恒星和超新星的天体物理模型与伽马射线观测结果不符。
研究团队利用新方法对一种不稳定同位素铁-60进行实验，铁-60在天文学中备受关注，因为它源自大质量恒星并从超新星爆发中扩散到整个星系中。研究结果发表在《自然·通讯》上。
团队成员包括稀有同位素束设施(FRIB)和密歇根州立大学物理与天文学系教授Artemis Spyrou，FRIB和密歇根州立大学化学系副教授Sean Liddick，以及FRIB的11名研究生和博士后研究员。
Spyrou的团队在美国国家超导回旋加速器实验室(FRIB的前身)中进行了实验。该实验由Spyrou和挪威奥斯陆大学教授Ann-Cecilie Larsen及荣休教授Magne Guttormsen共同开发的创新方法完成。
Spyrou解释道：“我们的特别之处在于结合了核反应、同位素束流和β衰变的专业知识，以便研究无法直接测量的反应。”Spyrou的团队试图通过测量反应的相关属性以限制其反应概率。
模型对预测罕见天文事件至关重要
铁-60作为不稳定同位素具有超过200万年的长半衰期，因此可以作为超新星的持久标记。铁-60在衰变过程中释放伽马射线，科学家可以测量这些信号以揭示恒星生命周期及其爆炸机制。物理学家依赖这些数据来创建和改进天文模型。
Liddick说：“核科学的终极目标之一是建立一个全面的预测模型，准确描述任何原子系统的核性质，但目前我们还没有这样的模型。首先，我们必须实验测量这些过程。”
科学家需要生产这些稀有同位素，观测其性质，并将结果与模型预测对比以检测准确性。
Spyrou补充道：“要研究这些核素，我们无法在地球上找到现成的同位素，我们必须制造它们，这正是FRIB的专长——从稳定同位素开始，加速、破碎以产生这些可能只存在几毫秒的稀有同位素。”
为了实现这一目标，Spyrou和她的团队设计了一项实验，目的有二：一是限制铁-59向铁-60转变的中子捕获过程，二是用数据探究超新星模型预测与实际观测结果之间的长期偏差。
新方法助力研究短寿命同位素
尽管铁-60具有较长半衰期，其邻居铁-59较不稳定，半衰期仅为44天，这使得实验室中对其进行中子捕获测量变得异常困难。为克服这一问题，科学家们开发了间接方法来实验限制该反应。
Spyrou和Liddick与奥斯陆大学的同事合作，开发了一种名为“β-奥斯陆方法”的新方法，以研究这些高度不稳定的同位素。这一方法由该项目的共同作者Guttormsen在奥斯陆回旋加速器实验室首创，并已在几十年里应用于天体物理和核结构研究。
通过结合探测、β衰变和反应的专业知识，研究人员设计了一种使用β衰变过程而非传统核反应来激发目标核素的新方法。这一创新方法更加高效地生成了目标同位素，同时为研究短寿命核素的中子捕获反应提供了新途径。
Spyrou指出：“β-奥斯陆方法仍然是唯一能为非常偏离稳定性的稀有核素提供一些约束的技术。”
修正模型仍需时间
通过限制产生铁-60的核反应网络中的关键不确定性，Spyrou的团队发现该反应在大质量恒星中的发生概率比模型预测高出一倍。研究人员认为，现有的超新星理论模型存在缺陷，某些恒星属性的表述不准确。
在研究结论中，研究团队指出，“要解决这一难题，可能需要通过星体建模来降低恒星自转速度，假设更小的大质量恒星爆炸质量极限，或调整其他恒星参数。”
此发现不仅对理解大质量恒星的理论具有广泛影响，还进一步证明了β-奥斯陆方法将成为未来科学研究的宝贵工具。
Liddick回忆道：“若没有奥斯陆大学的项目伙伴，这项工作难以实现。在2014年的一次MSU研讨会上，他们展示了奥斯陆方法，启发了我和Artemis。从那天起，我们就一起研究这个问题，未来我相信我们仍会继续合作下去。”
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