一個國際科研團隊在密西根州立大學稀有同位素束流設施（FRIB）的推動下，取得了天體物理學領域的一項重要發現。他們發現，現有的大質量恒星和超新星的天體物理學模型與伽馬射線天文學的觀測數據之間存在顯著的不符。這一突破性的成果得益于團隊采用的一種全新的實驗方法，該方法專注于研究一種特定的不穩定同位素——鐵-60。
領導這一科研團隊的是密西根州立大學物理與天文學系的FRIB物理學教授Artemis Spyrou。在他的帶領下，團隊不僅研究了鐵-60這一關鍵同位素，還利用了FRIB化學系副教授Sean Liddick以及其他11名研究生和博士后研究人員的專業知識。他們的研究成果已在《自然·通訊》期刊上發表。
鐵-60在天體物理學中的重要性不言而喻，它源自大質量恒星內部，并在超新星爆發時被噴射到整個銀河系。為了更深入地了解這種同位素，Spyrou教授的團隊在國家超導回旋加速器實驗室（FRIB的前身）進行了一項實驗。他們采用了一種由挪威奧斯陸大學的核物理與能源物理教授Ann-Cecilie Larsen和榮譽退休教授Magne Guttormsen共同研發的新方法。
Spyrou教授指出：“我們此次合作的獨特之處在于，將核反應、同位素束以及β衰變的專業知識相結合，以探究一種無法直接測量的反應。我們發表的這篇論文旨在精確測量我們所關注的大量反應特性，以便能對其進行更嚴格的限制?！?/p>
鐵-60作為不穩定同位素，其半衰期長達200多萬年，能夠在超新星中留下明顯的印記。當鐵-60衰變時，會釋放出伽馬射線，科學家們可以通過對這些射線的測量和分析，探尋恒星生命周期及其爆炸死亡機制的奧秘。這些寶貴的數據對于構建和完善天體物理模型至關重要。
然而，構建一個全面且可預測的原子核模型一直是核科學的一個總體目標，但這一目標尚未實現。Liddick副教授表示：“我們必須首先通過實驗對這些過程進行精確測量。我們制造這些稀有同位素，觀察它們的性質，并將發現與模型的預測進行對比，以驗證其準確性?！?/p>
Spyrou教授進一步強調：“要研究這些原子核，我們必須主動制造它們，而非依賴地球上的自然發現。這正是FRIB的專長所在——獲取穩定同位素，對它們進行加速、破碎，進而產生這些壽命極短的奇異同位素，以便我們深入研究?！睘榇?，Spyrou教授及其團隊設計了一項具有雙重目標的實驗，旨在限制將鐵-59轉化為鐵-60的中子捕獲過程，并利用獲取的數據探究超新星模型預測與實際觀測到的同位素痕跡之間的差異。
盡管鐵-60的半衰期較長，但其相鄰的同位素鐵-59的半衰期僅為44天，穩定性較差，這使得在實驗室中測量鐵-59的中子捕獲過程變得異常困難。為了解決這一難題，科學家們開發了一種間接的實驗方法。Spyrou教授和Liddick教授與奧斯陸大學的同仁攜手，共同研發出了一種全新的研究方法——β-奧斯陸方法。該方法利用β衰變過程本身來填充靶核，極大地提高了生成所需同位素的效率，并為限制短壽命原子核上的中子俘獲反應提供了一條可行的路徑。
Spyrou教授表示：“β-奧斯陸方法是唯一能為我們約束偏離穩定狀態的奇異原子核的技術?！蓖ㄟ^這種方法，團隊發現，在大質量恒星內部，鐵-60的生成可能性比模型預測的高出兩倍。這一發現表明，現有的超新星理論模型存在缺陷，一些特定的恒星特性尚未得到準確表示。研究人員指出，解開這一謎團需要借助恒星建模，例如通過調整恒星的自轉速度、設定更小的大質量恒星的可爆炸質量極限，或調整其他恒星參數。
這一發現不僅加深了對大質量恒星及其內部條件的理解，還進一步證明了β-奧斯陸方法將成為未來研究的重要工具。Liddick教授表示：“如果沒有奧斯陸大學的項目合作伙伴，這一切都無法實現。自2014年的一次研討會以來，我們一直緊密合作，我堅信我們未來將繼續長期合作下去?！?/p>
