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）的推动下，取得了天体物理学领域的一项重要发现。他们发现，现有的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之间存在显著的不符。这一突破性的成果得益于团队采用的一种全新的实验方法，该方法专注于研究一种特定的不稳定同位素——铁-60。
领导这一科研团队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。在他的带领下，团队不仅研究了铁-60这一关键同位素，还利用了FRIB化学系副教授Sean Liddick以及其他11名研究生和博士后研究人员的专业知识。他们的研究成果已在《自然·通讯》期刊上发表。
铁-60在天体物理学中的重要性不言而喻，它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。为了更深入地了解这种同位素，Spyrou教授的团队在国家超导回旋加速器实验室（FRIB的前身）进行了一项实验。他们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共同研发的新方法。
Spyrou教授指出：“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，以探究一种无法直接测量的反应。我们发表的这篇论文旨在精确测量我们所关注的大量反应特性，以便能对其进行更严格的限制。”
铁-60作为不稳定同位素，其半衰期长达200多万年，能够在超新星中留下明显的印记。当铁-60衰变时，会释放出伽马射线，科学家们可以通过对这些射线的测量和分析，探寻恒星生命周期及其爆炸死亡机制的奥秘。这些宝贵的数据对于构建和完善天体物理模型至关重要。
然而，构建一个全面且可预测的原子核模型一直是核科学的一个总体目标，但这一目标尚未实现。Liddick副教授表示：“我们必须首先通过实验对这些过程进行精确测量。我们制造这些稀有同位素，观察它们的性质，并将发现与模型的预测进行对比，以验证其准确性。”
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，进而产生这些寿命极短的奇异同位素，以便我们深入研究。”为此，Spyrou教授及其团队设计了一项具有双重目标的实验，旨在限制将铁-59转化为铁-60的中子捕获过程，并利用获取的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，这使得在实验室中测量铁-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。Spyrou教授和Liddick教授与奥斯陆大学的同仁携手，共同研发出了一种全新的研究方法——β-奥斯陆方法。该方法利用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教授表示：“β-奥斯陆方法是唯一能为我们约束偏离稳定状态的奇异原子核的技术。”通过这种方法，团队发现，在大质量恒星内部，铁-60的生成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，一些特定的恒星特性尚未得到准确表示。研究人员指出，解开这一谜团需要借助恒星建模，例如通过调整恒星的自转速度、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，还进一步证明了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，这一切都无法实现。自2014年的一次研讨会以来，我们一直紧密合作，我坚信我们未来将继续长期合作下去。”
