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）的支持下，揭开了大质量恒星和超新星研究中的一个重要谜团。他们发现，现有的天体物理学模型与伽马射线天文学的观测数据在关键方面存在不一致，这一发现得益于他们对一种不稳定同位素的深入研究。
领导这项研究的，是密西根州立大学物理与天文学系的FRIB物理学教授Artemis Spyrou。他带领的团队，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，共同在《自然·通讯》期刊上发表了他们的研究成果。
他们的研究焦点是不稳定同位素铁-60。这种同位素源自大质量恒星内部，并在超新星爆发时被喷射到整个银河系。通过对其衰变释放的伽马射线进行测量与分析，科学家们可以探寻恒星生命周期及其爆炸死亡机制的奥秘。然而，现有的天体物理学模型在预测铁-60的某些特性时，却与观测数据不符。
为了解决这个问题，Spyrou教授的团队采用了由挪威奥斯陆大学的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。这种方法使得他们能够在实验室中研究铁-60及其相关同位素的核特性，从而更精确地限制和验证天体物理学模型的预测。
Spyrou教授表示，这次合作的独特之处在于结合了核反应、同位素束以及β衰变方面的专业知识，来探究一种无法直接测量的反应。他们的目标是测量大量反应特性，以便更精确地限制这些反应，从而改进天体物理学模型。
铁-60作为一种不稳定同位素，其半衰期长达200多万年，因此能够为其所源自的超新星留下深刻的印记。然而，要研究这种同位素，科学家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，进而产生这些寿命可能只有几毫秒的奇异同位素。
为了限制将同位素铁-59转化为铁-60的中子捕获过程，Spyrou教授及其团队设计了一项具有双重目标的实验。他们不仅希望利用由此获取的数据来探究超新星模型预测与实际观测到的这些同位素痕迹之间的差异，还希望验证和改进现有的天体物理学模型。
然而，铁-59同位素的半衰期仅44天，稳定性较差，使得在实验室中测量其中子捕获过程变得异常困难。为了解决这一难题，科学家们开发出了间接的实验方法来限制这一反应。他们携手奥斯陆大学的同仁，共同研发出一种针对这些极不稳定同位素的全新研究方法——β-奥斯陆方法。
β-奥斯陆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。
通过这种方法，Spyrou教授的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。他们发现，在大质量恒星内部发生这种反应的可能性比模型预测的高出两倍。这一发现表明，现有的超新星理论模型存在缺陷，需要进一步的修正和改进。
研究人员指出，解开这一谜团必须借助恒星建模，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。这一发现不仅让我们更加深刻地理解大质量恒星及其内部条件，而且进一步证明了β-奥斯陆方法将成为科学家们未来研究的重要工具。
Liddick教授表示，这次合作的成功离不开奥斯陆大学的项目合作伙伴。在2014年的一次研讨会上，他们所介绍的奥斯陆方法对他和Spyrou教授产生了深刻启发。自那时起，他们一直紧密合作，共同推动了这一领域的研究进展。
最后，Spyrou教授强调，要研究这些原子核，科学家们必须不断探索新的方法和技术。FRIB正是这样一个平台，它使得科学家们能够获取、加速和破碎稳定同位素，进而产生这些奇异同位素，以便进行深入研究。这一发现不仅为天体物理学领域带来了新的突破，也为未来的研究开辟了新的方向。
