Des chercheurs de l’Institut de physique moderne (IMP) de l’Académie chinoise des sciences (CAS) et leurs collaborateurs ont mesuré les masses de plusieurs noyaux clés avec une grande précision en utilisant la technique de spectrométrie de masse à anneau de stockage la plus avancée. À l’aide des nouvelles données, ils ont étudié les sursauts de rayons X à la surface d’une étoile à neutrons, établissant des contraintes sur les propriétés des étoiles à neutrons dans une nouvelle perspective. L’étude a été publiée dans Physique naturelle.
Les étoiles à neutrons sont considérées comme les objets les plus denses après les trous noirs. Les sursauts de rayons X de type I, parmi les objets stellaires les plus brillants fréquemment observés dans le ciel par les télescopes spatiaux, sont de violentes explosions thermonucléaires se produisant à la surface des étoiles à neutrons.
En raison de la forte gravité d’une étoile à neutrons, la matière riche en hydrogène et en hélium d’une étoile compagne s’accumule à la surface de l’étoile à neutrons pendant des heures ou des jours avant d’enflammer la combustion thermonucléaire. L’explosion dure de 10 à 100 secondes, provoquant une rafale de rayons X lumineux. Ces sursauts fréquents de rayons X offrent l’opportunité d’étudier les propriétés des étoiles à neutrons.
Les rafales sont alimentées par une séquence de réaction nucléaire connue sous le nom de processus de nucléosynthèse par capture rapide de protons (processus rp), qui implique des centaines de nucléides exotiques déficients en neutrons. Parmi eux, les nucléides du point d’attente, dont le germanium-64, jouent un rôle décisif. « Le germanium-64, comme un carrefour sur le chemin des processus de réaction nucléaire, est une section congestionnée importante rencontrée lorsque la réaction nucléaire se poursuit dans la région de masse moyenne. Les masses des noyaux concernés sont décisives pour définir le chemin du processus et donc le X -flux de rayons produit », a expliqué Zhou Xu, le premier auteur de cet article et titulaire d’un doctorat. étudiant à l’IMP.
Par conséquent, des mesures de masse précises des noyaux autour du germanium-64 sont essentielles pour comprendre les sursauts de rayons X et les propriétés des étoiles à neutrons. Cependant, en raison du rendement de production extrêmement faible, il a été très difficile de mesurer les masses de ces noyaux à courte durée de vie.
Après plus de dix ans d’efforts, les chercheurs du Storage Ring Nuclear Physics Group de l’IMP ont mis au point une nouvelle technique de spectrométrie de masse ultrasensible au Cooler Storage Ring (CSR) du Heavy Ion Research Facility de Lanzhou (HIRFL), qui s’appelle Spectrométrie de masse isochrone définie par Bρ (Bρ-IMS). Il mesure rapidement et efficacement les noyaux à vie courte avec un rendement de production extrêmement faible.
« Notre expérience est capable de déterminer avec précision la masse d’un seul nucléide en une milliseconde après sa production, et elle est essentiellement sans bruit de fond dans le spectre mesuré », a déclaré le professeur Wang Meng de l’IMP.
Les chercheurs ont mesuré avec précision les masses d’arsenic-64, d’arsenic-65, de sélénium-66, de sélénium-67 et de germanium-63. Les masses d’arsenic-64 et de sélénium-66 sont les premiers résultats expérimentaux au monde, et la précision des masses des autres a toutes été améliorées. Avec les masses nouvellement mesurées, toute l’énergie de réaction nucléaire liée au point d’attente du noyau germanium-64 a été déterminée expérimentalement pour la première fois.
Les chercheurs ont utilisé les nouvelles masses comme entrées pour les calculs du modèle de sursaut de rayons X. Ils ont constaté que les nouvelles données entraînaient des changements dans le chemin du processus rp. En conséquence, la courbe de lumière des éclats de rayons X à la surface de l’étoile à neutrons a une luminosité maximale accrue et une durée de queue prolongée.
En comparant les calculs du modèle avec les sursauts de rayons X observés de GS 1826-24, les chercheurs ont découvert que la distance entre la Terre et le sursaut devait être augmentée de 6,5 % et que le coefficient de redshift gravitationnel de la surface de l’étoile à neutrons devait être réduit de 4,8 % pour correspondre aux observations astronomiques, ce qui indique que la densité de l’étoile à neutrons est plus faible que prévu. De plus, les changements de composition des produits de réaction du processus rp ont révélé que la température de l’enveloppe externe de l’étoile à neutrons devrait être plus élevée qu’on ne le pense généralement après le sursaut de rayons X.
La propriété des étoiles à neutrons est un sujet de recherche en physique des frontières d’une grande importance. « Grâce à une mesure précise de la masse nucléaire, nous avons obtenu une courbe de lumière en sursaut de rayons X plus précise à la surface de l’étoile à neutrons. En la comparant avec des observations astronomiques, nous avons établi des contraintes sur la relation entre la masse et le rayon de l’étoile à neutrons à partir d’un nouvelle perspective », a déclaré le professeur Zhang Yuhu de l’IMP.
Plus d’information:
X. Zhou et al, Les mesures de masse montrent un ralentissement du processus de capture rapide de protons au noyau d’attente 64Ge, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-02034-2