在密西根州立大学稀有同位素束流设施（FRIB）项目科学家们的带领下，一个国际研究团队发现了大质量恒星和超新星的天体物理学模型与伽马射线天文学的观测数据不符。这一重大发现得益于该团队采用了一种创新实验方法，研究了一种不稳定同位素的核特性。

该科研团队的带头人是密西根州立大学物理与天文学系的FRIB物理学教授Artemis Spyrou。他们利用创新实验方法研究了不稳定同位素铁-60。参与此项研究的团队成员还包括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名研究生和博士后研究人员。他们的研究成果已发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。

天体物理学家对铁-60感兴趣是因为它源自大质量恒星内部，并在超新星爆发时喷射到整个银河系。为了探究这种同位素，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。

Spyrou教授表示：“此次合作中的独特之处在于，我们结合了核反应、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。在《自然·通讯》中发表的这篇论文旨在测量我们所感兴趣的大量反应特性，以便我们能更精确地对其进行限制。”

模型对于预测罕见天体物理事件至关重要

铁-60作为一种不稳定同位素，其半衰期长达200多万年，因此它能为其所源自的超新星留下深刻的印记。具体而言，铁-60在衰变时会释放出伽马射线，科学家们可以通过对这些伽马射线的测量与分析，探寻恒星生命周期及其爆炸死亡机制的奥秘。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。

Liddick副教授指出：“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，以便能够精确描述任何原子系统的核特性。然而，我们尚未实现这一目标。我们必须首先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，并将他们的发现与模型的预测进行对比，以验证其准确性。

Spyrou教授强调：“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——获取我们能够找到的稳定同位素，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，以便我们对其进行深入研究。”为此，Spyrou教授及其团队设计了一项具有双重目标的实验：一是旨在限制将同位素铁-59转化为铁-60的中子捕获过程；二是希望利用由此获取的数据，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长期存在的差异。

新方法助力短寿命同位素研究取得突破

虽然铁-60的半衰期较长，但与之相邻的铁-59同位素的半衰期仅44天，稳定性较差。因此，在实验室中测量铁-59的中子捕获过程变得异常困难，因为它往往在合理的测量开始之前就已衰变消失。为了解决这一难题，科学家们另辟蹊径，开发出了间接的实验方法来限制这一反应。

为此，Artemis Spyrou与Sean Liddick两位教授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。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。Guttormsen原本的方法是通过核反应来填充原子核，从而方便研究人员测量其特性。该方法历经几十年的实际验证，在天体物理学和核结构领域具有广泛应用，但却仅限于（接近）稳定的同位素。而Spyrou教授等研究人员则凭借在探测、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。这一创新方法不仅极大地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-奥斯陆方法仍然是唯一能为我们约束偏离稳定状态的奇异原子核的技术。”

修正模型尚需时日

在有效限制产生铁-60的核反应网络中的这些关键不确定性后，Spyrou教授的团队得出结论：在大质量恒星内部发生这种反应发生的可能性比模型预测的高出两倍。研究人员现在认为，超新星的理论模型存在缺陷，一些特定的恒星特性仍未得到准确表示。在论文结论中，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：“如果没有奥斯陆大学的项目合作伙伴，这一切都无法实现。在2014年密西根州立大学的一次研讨会上，他们所介绍的奥斯陆方法对我和Artemis产生了深刻启发。那天，我们向他们提出了有关如何利用β衰变的问题，并就此展开了讨论。自那时起，我们一直紧密合作。我坚信，我们未来也将继续长期合作下去。”