Детекторная система ядерного масс-спектрометра на основе охлаждающего кольца (CSR) в Ланьчжоу.

Нейтронные звезды считаются самыми плотными объектами после черных дыр. Рентгеновские всплески типа I, одни из самых ярких звездных объектов, часто наблюдаемых на небе с помощью космических телескопов, представляют собой сильные термоядерные взрывы, происходящие на поверхности нейтронных звезд.

Из-за сильной гравитации нейтронной звезды богатой водородом и гелием вещество от звезды- компаньона аккрецируется на поверхности нейтронной звезды в течение нескольких часов или дней, прежде чем загорится термоядерное горение. Взрыв длится от 10 до 100 секунд, вызывая яркую рентгеновскую вспышку. Эти частые рентгеновские вспышки дают возможность изучать свойства нейтронных звезд.

Всплески вызваны последовательностью ядерных реакций, известной как процесс быстрого нуклеосинтеза с захватом протонов (rp-процесс), в котором участвуют сотни экзотических нейтронодефицитных нуклидов. Среди них определяющую роль играют нуклиды точки ожидания, в том числе германий-64. «Германий-64, как перекресток на пути ядерных реакционных процессов, является важным перегруженным участком, встречающимся при протекании ядерной реакции в область средней массы. Массы соответствующих ядер являются решающими в определении пути процесса и, тем самым, X поток лучей», — объяснил Чжоу Сюй, первый автор этой статьи и доктор философии, студент ИМП.

Поэтому точные измерения массы ядер вокруг германия-64 необходимы для понимания рентгеновских всплесков и свойств нейтронных звезд. Однако из-за чрезвычайно низкой производительности было очень сложно измерить массы этих короткоживущих ядер.

После более чем десяти лет усилий исследователи из группы ядерной физики накопителя в IMP разработали новый сверхчувствительный метод масс-спектрометрии на охладителе-накопительном кольце (CSR) Исследовательского центра тяжелых ионов в Ланьчжоу (HIRFL), который называется Bρ-определенная изохронная масс-спектрометрия (Bρ-IMS). Он быстро и эффективно измеряет короткоживущие ядра с чрезвычайно низкой производительностью.

«Наш эксперимент способен точно определить массу отдельного нуклида в течение миллисекунды после его образования, и он практически не содержит фона в измеренном спектре», — сказал профессор Ван Мэн из IMP.

Исследователи точно измерили массы мышьяка-64, мышьяка-65, селена-66, селена-67 и германия-63. Массы мышьяка-64 и селена-66 являются первыми экспериментальными результатами в мире, а точность массы остальных была улучшена. С новыми измеренными массами вся энергия ядерной реакции, относящаяся к ядру точки ожидания германия-64, была впервые определена экспериментально.

Исследователи использовали новые массы в качестве исходных данных для расчетов модели рентгеновских всплесков. Они обнаружили, что новые данные приводят к изменению пути rp-процесса. В результате кривая блеска рентгеновских всплесков на поверхности нейтронной звезды имеет повышенную пиковую светимость и увеличенную длительность хвоста.

Сравнив модельные расчеты с наблюдаемыми рентгеновскими вспышками GS 1826-24, исследователи обнаружили, что расстояние от Земли до барстера должно быть увеличено на 6,5%, а коэффициент гравитационного красного смещения поверхности нейтронной звезды необходимо уменьшить на 4,8%. чтобы соответствовать астрономическим наблюдениям, что указывает на то, что плотность нейтронной звезды ниже ожидаемой. Кроме того, изменение состава продуктов реакции rp-процесса показало, что температура внешней оболочки нейтронной звезды должна быть выше, чем принято считать после рентгеновской вспышки.

Свойство нейтронных звезд является очень важной темой передовых физических исследований. «Благодаря точному измерению ядерной массы мы получили более точную кривую блеска рентгеновских вспышек на поверхности нейтронной звезды. Сравнивая ее с астрономическими наблюдениями, мы установили ограничения на соотношение между массой и радиусом нейтронной звезды», — сказал профессор Чжан Юху из IMP.