兩個不穩定的原子正在改寫中子星爆炸

研究結果發表於 天體物理學雜誌 12月1日

是什麼導致了 I 型 X 射線爆發？

I 型 X 射線爆發是整個銀河系中頻繁發生的強烈熱核爆炸。它們通常發生在低質量 X 射線雙星系統中，其中緻密中子星從附近的伴星中噴射出物質。當氫和氦在中子星表面積聚時，不穩定的核燃燒就會被點燃，釋放出大量的能量。

這一爆炸過程是由稱為 rp 過程的快速質子捕獲反應驅動的。在rp過程中，原子核迅速吸收質子並變成較重的元素。這些反應發生的程度以及哪些核途徑占主導地位取決於所涉及的核的具體質量。

為什麼核質量難以確定？

參與 rp 過程的許多原子核都靠近質子下降線，這意味著它們非常不穩定並且衰變非常快。由於它們的壽命很短，它們的數量往往鮮為人知或完全無法衡量。數據的缺乏使得科學家們很難準確地模擬 X 射線爆發中的核反應。

該研究的作者之一、IMP 的 Xinliang Yan 博士表示，多年來，研究人員一直在爭論磷 26 和硫 27 反應途徑是否在 rp 過程中發揮主要作用。不確定性主要源於這些原子核質量測量的缺失或不准確。

高精度測量稀有原子核

為了解決這個問題，研究小組利用磁剛性定義的等時質譜法直接測量了磷26和硫27的質量。實驗在蘭州重離子研究裝置（HIRFL-CSR）冷庫環內進行。

新的測量結果表明，硫27的質子分離能比之前的估計高出129-267 keV。這個值的準確度比之前的數據提高了八倍。

爆炸恆星內部反應更快

利用更新後的質量值，研究人員重新計算了 X 射線爆發中核反應的發生方式。在典型的爆炸條件下，他們發現26P(p,γ)27S的反應速率在0.4-2吉開爾文(GK)範圍內顯著增加。在 1 GK 中，反應速度可能比之前估計的高出五倍。

修正後的數據也大大降低了逆反應率的不確定性。因此，模型預測硫 27 相對於磷 26 的豐度更高，這表明在這些星暴中核材料更有效地流向硫 27。

“我們的高精度質量結果和相應的新反應速率為天體物理反應網絡提供了更可靠的輸入，解決了 X 射線爆發磷硫區域核合成途徑的不確定性，”該研究的另一位通訊作者、IMP 的 Suqing Hou 博士說。

國際合作與研究支持

該項目是與德國 GSI 亥姆霍茲重離子研究中心和馬克斯·普朗克核物理研究所的科學家以及日本埼玉大學的研究人員共同開展的。

研究經費由國家科技攻關計劃、中科院青年創新促進會、中科院區域青年發展項目等資助。