近日，东江实验室科研人员联合中国科学院近代物理研究所原子核质量测量团队与合作者基于兰州重离子加速器冷却储存环，利用国际首创的新型质谱术，精确测量了一批关键原子核的质量，研究了中子星表面的X射线暴，从新的角度约束了中子星的性质。相关结果于5月1日发表在《自然-物理》(Nature Physics)上。
中子星是人类已知的最致密的星体之一。X射线暴发生在中子星与伴星（通常是一颗红巨星）组成的双星系统中，是目前已知的最频繁的天体热核爆发过程，也是太空望远镜所能观察到的最亮的天文现象之一。中子星强大的引力将伴星中富含氢和氦的燃料吸积到中子星的表面。当这些燃料的温度和密度达到一定程度时，热核反应会被点燃，在10-100秒时间内释放出大量能量，形成X射线暴。X射线暴为研究中子星性质提供了窗口。
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缺中子原子核。其中，锗-64扮演着非常重要的角色，被科学家称之为“等待点核”。精确测量锗-64附近原子核的质量，对深入理解X射线暴和确定中子星性质非常重要。
利用新型“磁刚度识别的等时性质谱术”，研究团队精确测量了砷-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等待点核锗-64相关的所有核反应能。其中，砷-64和硒-66的质量是国际上首次测量，其他原子核的质量精度均得到提高。
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，团队发现新的结果使快速质子俘获过程发生了变化，X射线光度曲线峰值增加、尾部持续时间延长。对比目前天文观测数据最丰富的、代号为GS 1826-24中子星的X射线暴，团队发现该中子星与地球之间的距离更远（需增加6.5%）、中子星表面引力红移系数需要降低4.8%。中子星表面引力红移系数的上述变化意味着中子星密度比预想的要低一些，从而以新的角度约束了中子星的质量和半径的关系。
本工作由来自近代物理所、东江实验室、北京大学、兰州大学、北京师范大学、东华理工大学等单位的科研人员与德国、美国的科研人员合作完成。研究得到科技部重点研发计划、中科院战略性先导科技专项（B类）、中科院稳定支持青年团队、自然科学基金委、东江实验室等科研项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41567-023-02034-2
图 1 兰州重离子研究装置示意图