实验室中的元素创造加深了对中子星表面爆炸的理解

在能源部橡树岭国家实验室的凯利·奇普斯(Kelly Chipps)的带领下，在实验室工作的科学家产生了一种标志性的核反应，该反应发生在中子星吞噬伴星质量的表面。他们的成就提高了对产生不同核同位素的恒星过程的理解。

“从核物理学和天体物理学的角度来看，中子星真的很迷人，”ORNL核天体物理学家Kelly Chipps说，他领导了一项发表在《物理评论快报》上的研究。“更深入地了解它们的动力学可能有助于揭示从人类到行星的所有元素的宇宙配方。

Chipps领导核结构和天体物理学喷气实验(JENSA)，该实验拥有来自三个国家的九个机构的合作者。该团队使用独特的气体喷射目标系统，该系统产生世界上密度最高的氦射流用于加速器实验，以了解在地球上与在外层空间相同的物理学中进行的核反应。

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。

中子星具有巨大的引力，可以从附近的恒星捕获氢和氦。物质聚集在中子星表面，直到它在反复爆炸中点燃，产生新的化学元素。

许多为爆炸提供动力的核反应仍未得到研究。现在，JENSA的合作者在密歇根州立大学的一个实验室里产生了这些标志性的核反应之一。它直接限制了通常用于预测元素形成的理论模型，并提高了对产生同位素的恒星动力学的理解。

JENSA系统由ORNL建造，现在在稀有同位素束设施(MSU运营的美国能源部科学办公室用户设施)建造，JENSA系统提供了一个轻质气体的目标，该目标密度，纯净且局部化在几毫米内。JENSA还将为捕获反应分离器(SECAR)提供主要目标，SECAR是FRIB的一个探测器系统，允许实验核天体物理学家直接测量为爆炸恒星提供动力的反应。ORNL和Chipps的共同作者Michael Smith是SECAR项目团队的成员。

在目前的实验中，科学家们用氩-4光束击中了α粒子(氦-34原子核)的目标。(同位素后面的数字表示其质子和中子的总数。这次聚变的结果产生了钙-38原子核，它有20个质子和18个中子。因为这些原子核被激发，它们喷射出质子并最终成为钾-37原子核。

气体射流周围的高分辨率带电粒子探测器精确测量质子反应产物的能量和角度。该测量利用了ORNL在核物理学家Steven Pain的领导下开发的探测器和电子设备。考虑到能量和动量守恒，物理学家进行了反向计算以发现反应的动力学。

“我们不仅知道发生了多少反应，而且我们知道最终钾-37核最终产生的比能量，这是理论模型预测的成分之一，”Chipps说。

实验室实验提高了对物质落到中子星重要子集表面时发生的核反应的理解。当一颗大质量恒星耗尽燃料并坍缩成一个与佐治亚州亚特兰大等城市一样宽的球体时，这些恒星就会诞生。然后重力将基本粒子尽可能紧密地挤压在一起，创造出我们可以直接观察到的最致密的物质。

一茶匙中子星的重量相当于一座山。中子填充的恒星旋转速度比搅拌机叶片快，是宇宙中最强的磁铁。它们有固体外壳，周围有液体核心，含有形状像面或千层面的材料，为它们赢得了“核面”的绰号。

“因为中子星是如此奇怪，它们是一个有用的天然实验室，可以测试中子物质在极端条件下的行为，”Chipps说。

实现这种理解需要团队合作。天文学家观察这颗恒星并收集数据。理论家试图理解恒星内部的物理学。核物理学家在实验室中测量核反应，并根据模型和模拟进行测试。该分析减少了因缺乏实验数据而导致的巨大不确定性。“当你把所有这些事情放在一起时，你真的开始了解发生了什么，”奇普斯说。

“因为中子星是超密集的，它巨大的引力可以从伴星上拉出氢和氦。当这种材料落到表面时，密度和温度变得如此之高，以至于可能发生热核爆炸，可以在表面上传播，“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。

表面爆炸不会摧毁中子星，中子星会回到它以前做的事情：以它的同伴为食并爆炸。反复的爆炸将地壳材料拉入混合物中，产生一种奇怪的成分，其中先前爆炸中形成的重元素与轻质氢和氦发生反应。

理论模型预测哪些元素形成。科学家通常使用称为Hauser-Feshbach形式化的统计理论模型分析JENSA团队测量的反应，该模型假设原子核的激发能级的连续体可以参与反应。相反，其他模型假设只有一个能级参与。

“我们正在测试统计模型有效或无效之间的过渡，”Chipps说。“我们想了解这种转变发生在哪里。因为豪瑟-费什巴赫是一种统计形式主义——它依赖于大量的能级，因此每个能级的影响都是平均的——我们正在寻找这个假设开始崩溃的地方。对于像镁-22和氩-34这样的原子核，人们期望原子核没有足够的水平使这种平均方法有效。我们想测试一下。

一个问题仍然是，统计模型是否适用于发生在恒星而不是地球实验室中的这种反应。“我们的结果表明，统计模型对这种特殊的反应是有效的，这消除了我们对中子星的理解的巨大不确定性，”Chipps说。“这意味着我们现在更好地掌握了这些核反应是如何进行的。

接下来，研究人员将尝试通过进一步测试其极限来改进统计模型。过去的一篇论文探讨了原子质量22，一个镁原子核，发现该模型不正确近10倍。目前由ORNL领导的论文探测了高于此值的12个原子质量单位，发现该模型正确预测了反应速率。

“在[原子]质量20和30之间的某个地方，统计模型有效和无效之间的这种转变正在发生，”Chipps说。“接下来的事情是寻找该范围中间的反应，看看这种转变在哪里发生。Chipps和她的JENSA合作者已经开始了这一努力。

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