在密西根州立大学稀有同位素束流设施（FRIB）的引领下，一项国际科研合作揭示了天体物理学领域的一项重要发现：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。这一突破性成果得益于团队对一种不稳定同位素——铁-60的核特性进行了创新研究。
FRIB物理学教授Artemis Spyrou领导了这项研究，团队成员还包括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，以及来自FRIB的11名研究生和博士后。他们的研究成果已在《自然·通讯》上发表。
铁-60，这一源自大质量恒星内部并在超新星爆发时散布至银河系的同位素，因其独特的核特性而备受天体物理学家的关注。Spyrou教授团队在国家超导回旋加速器实验室（FRIB的前身）进行了一项实验，采用了一种由挪威奥斯陆大学核物理与能源物理教授Ann-Cecilie Larsen和荣誉退休教授Magne Guttormsen共同研发的新方法。
Spyrou教授表示：“我们结合了核反应、同位素束以及β衰变的专业知识，以探究一种难以直接测量的反应。此次合作旨在更精确地测量我们感兴趣的核反应特性，从而限制相关理论模型。”
铁-60的半衰期长达200多万年，其衰变过程中释放的伽马射线为科学家们提供了探寻恒星生命周期及其爆炸机制的线索。物理学家利用这些宝贵的数据来构建和完善天体物理模型，然而，现有的模型在预测某些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，但目前尚未实现。为了验证模型的准确性，我们必须通过实验对这些过程进行精确测量。”为此，Spyrou教授及其团队设计了一项具有双重目标的实验，旨在限制将铁-59转化为铁-60的中子捕获过程，并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。
由于铁-59的半衰期仅为44天，稳定性较差，在实验室中直接测量其中子捕获过程变得异常困难。为了解决这一难题，Spyrou教授、Liddick副教授与奥斯陆大学的同仁共同研发出了一种全新的研究方法——β-奥斯陆方法。这一方法利用β衰变过程本身来填充靶核，极大地提高了生成所需同位素的效率，并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教授强调：“β-奥斯陆方法是目前唯一能够为我们约束偏离稳定状态的奇异原子核的技术。”通过这一方法，团队成功限制了产生铁-60的核反应网络中的关键不确定性，并得出结论：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。
研究人员指出，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。为了解开这一谜团，需要借助恒星建模，例如通过减少恒星的自转速度、设定更小的大质量恒星的可爆炸质量极限，或者调整其他恒星参数。
这项研究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。Liddick教授表示：“我们与奥斯陆大学的项目合作伙伴紧密合作，他们的奥斯陆方法对我们产生了深刻启发。我坚信，我们未来的合作将继续取得更多成果。”
