实验中产生的元素,更进一步科学家对于中子星外表爆炸的理解
发布时间：2023-06-02 10:29:00 所属栏目：外闻 来源：
导读：美国能源部橡树岭国家实验室 Kelly Chipps领导的科学家在实验室中创造了一种在中子星表面发生的一种特征核反应,这种反应会从伴星中吸收质量。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
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美国能源部橡树岭国家实验室 Kelly Chipps领导的科学家在实验室中创造了一种在中子星表面发生的一种特征核反应,这种反应会从伴星中吸收质量。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，它产生了世界上最高密度的氦气喷射用于加速器实验，以了解在地球和外层空间具有相同物理过程的核反应。 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。它直接约束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。通过进一步考虑相互作用的能量和动量守恒，这些物理学家们从中回进一步推出等离子体反应的动力学。 “我们不仅知道发生了多少次反应，而且我们还知道最终钾-37核所处的特定能级，这是理论模型预测的组成部分之一，”Chipps说。 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塌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。 “因为中子星非常奇怪，它们是一个有用的自然存在的实验室，可以测试在极端条件下中子物质的行为，”Chipps说。 实现这种理解需要团队合作。天文学家观测恒星并收集数据。理论家试图理解恒星内部的物理现象。核物理学家在实验室测量核反应，并将其与模型和模拟进行对比。这种分析减少了由于缺乏实验数据而产生的很大不确定性。“当你把所有这些东西放在一起时，你就真正开始理解发生了什么，”Chipps说。 “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轻质氢和氦反应，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级参与。 “我们正在测试统计模型有效或无效之间的转变，”Chipps说。“我们想了解这种转变发生在哪里。因为Hauser-Feshbach是一种统计形式——它依赖于有大量的能级，使得每个单独的能级上的效应被平均掉——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这样的核，有一种预期，即核没有足够的能级来使这种平均方法有效。我们想要测试一下。” 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。”因为它们可以通过观察它们的行为来了解。他补充说，这项研究将有助于揭示中子星的起源，并帮助科学家更好地理解宇宙中的其他事物。 （编辑：聊城站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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