一个国际科研团队在密西根州立大学稀有同位素束流设施（FRIB）的引领下，近日揭示了天体物理学领域的一个重要矛盾：大质量恒星和超新星的理论模型与伽马射线天文学的观测数据之间存在显著偏差。这一突破性发现得益于团队对一种不稳定同位素——铁-60的核特性研究，他们采用了前所未有的实验方法。
该研究的核心人物是FRIB物理学教授、密西根州立大学物理与天文学系的Artemis Spyrou。他带领的团队还包括FRIB化学系副教授、密西根州立大学化学系与FRIB实验核科学系负责人Sean Liddick，以及11名来自FRIB的研究生和博士后研究人员。他们的研究成果已在《自然·通讯》期刊上发表。
铁-60因其独特的起源和性质而备受天体物理学家的关注。它源自大质量恒星内部，并在超新星爆发时被抛射到整个银河系。为了深入研究这种同位素，Spyrou教授的团队在国家超导回旋加速器实验室（FRIB的前身）开展了一项实验，采用了一种由挪威奥斯陆大学的核物理专家Ann-Cecilie Larsen和荣誉退休教授Magne Guttormsen开发的新方法。
Spyrou教授介绍道：“我们此次合作的独特之处在于，将核反应、同位素束以及β衰变的专业知识相结合，探究了一种无法直接测量的反应。我们发表在《自然·通讯》上的论文旨在精确测量我们感兴趣的大量反应特性，以便更准确地对其进行限制。”
铁-60作为不稳定同位素，具有长达200多万年的半衰期，这为科学家们提供了研究超新星的重要线索。铁-60在衰变过程中释放出的伽马射线，成为了科学家们探寻恒星生命周期及其爆炸死亡机制的关键。物理学家正是依赖这些宝贵的数据来构建和完善天体物理模型。
然而，现有的天体物理模型在预测罕见天体物理事件时仍存在不足。Liddick副教授指出：“我们的总体目标是构建一个全面且可预测的原子核模型，以精确描述任何原子系统的核特性。但这一目标尚未实现，我们必须通过实验对这些过程进行精确测量。”科学家们需要制造这些稀有同位素，观察它们的性质，并将发现与模型预测进行对比。
Spyrou教授进一步强调：“要研究这些原子核，我们必须主动制造它们，而非依赖地球上的自然发现。这正是FRIB的专长所在——获取稳定同位素，对它们进行加速、破碎，产生寿命极短的奇异同位素，以便深入研究。”为此，Spyrou教授及其团队设计了一项双重目标的实验：一是限制铁-59转化为铁-60的中子捕获过程；二是利用这些数据探究超新星模型预测与实际观测到的同位素痕迹之间的差异。
尽管铁-60的半衰期较长，但其相邻的同位素铁-59的半衰期仅为44天，稳定性较差，这极大地增加了在实验室中测量其中子捕获过程的难度。为了解决这一难题，科学家们开发了一种间接的实验方法来限制这一反应。Spyrou教授和Liddick教授携手奥斯陆大学的同仁，共同研发出了一种针对极不稳定同位素的全新研究方法——β-奥斯陆方法。
该方法源自项目合作者Guttormsen在奥斯陆回旋加速器实验室开创的改良版奥斯陆方法。Spyrou教授等研究人员凭借在探测、β衰变和反应领域的专业知识，设计出一种全新的方式，利用β衰变过程本身而非传统的反应来填充靶核。这一创新方法不仅提高了生成所需同位素的效率，还为限制短寿命原子核上的中子俘获反应提供了一条可行的路径。
Spyrou教授表示：“β-奥斯陆方法是唯一能够为我们约束偏离稳定状态的奇异原子核的技术。”在有效限制产生铁-60的核反应网络中的关键不确定性后，Spyrou教授的团队得出结论：在大质量恒星内部，这种反应发生的可能性比模型预测的高出两倍。研究人员认为，超新星的理论模型存在缺陷，一些特定的恒星特性尚未得到准确表示。
Liddick教授表示：“没有奥斯陆大学的项目合作伙伴，这一切都无法实现。在一次研讨会上，他们介绍的奥斯陆方法对我们产生了深刻启发。自那时起，我们一直紧密合作，我相信这种合作将持续下去。”这一发现不仅加深了对大质量恒星及其内部条件的理解，还证明了β-奥斯陆方法将成为未来研究的重要工具。
