一个由密西根州立大学稀有同位素束流设施（FRIB）领导的国际科研团队，近日揭示了天体物理学领域的一项重大发现：大质量恒星和超新星的理论模型与伽马射线天文学的实际观测数据之间存在显著偏差。这一突破性成果得益于团队采用的一种新颖实验方法，专门研究了不稳定同位素铁-60的核特性。
该研究的核心人物是FRIB物理学教授Artemis Spyrou，他带领的团队包括FRIB化学系副教授及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作为研究的关键同位素，源自大质量恒星内部，并在超新星爆发时被抛射至整个银河系。Spyrou教授的团队在国家超导回旋加速器实验室（FRIB的前身）进行了实验，采用了一种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研发的创新方法。
Spyrou教授指出，此次合作的独特之处在于结合了核反应、同位素束和β衰变的专业知识，以探究一种难以直接测量的反应。他们希望通过精确测量大量反应特性，从而更准确地限制相关反应。
铁-60的不稳定性质及其长达200多万年的半衰期，使其成为研究超新星的重要标记。在衰变过程中，铁-60释放出的伽马射线为科学家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数据构建和完善天体物理模型。
Liddick副教授强调，核科学的一个总体目标是构建一个全面且可预测的原子核模型，但这一目标尚未实现。他们需要通过实验精确测量这些过程，将发现与模型预测进行对比，以验证其准确性。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。
尽管铁-60的半衰期较长，但其相邻同位素铁-59的半衰期仅44天，稳定性较差，这导致在实验室中测量铁-59的中子捕获过程变得异常困难。为了解决这一难题，科学家们开发了一种间接的实验方法，即β-奥斯陆方法，该方法由Spyrou教授、Liddick教授与奥斯陆大学的同仁共同研发。
β-奥斯陆方法利用β衰变过程本身来填充靶核，而非传统的反应方式，从而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教授表示，β-奥斯陆方法是唯一能够约束偏离稳定状态的奇异原子核的技术。
通过有效限制产生铁-60的核反应网络中的关键不确定性，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。解开这一谜团需要借助恒星建模，例如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，或调整其他恒星参数。
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。Liddick教授表示，如果没有奥斯陆大学的项目合作伙伴，这一成果无法实现。自2014年密西根州立大学的一次研讨会上受到启发以来，他们一直紧密合作，并期待未来的长期合作。
