“从核物理学和天体物理学的角度来看，中子星真的很迷人，”ORNL的核天体物理学家凯利·奇普斯说，他领导了一项研究物理评论快报．“更深入地了解它们的动态可能有助于揭示从人类到行星等一切元素的宇宙配方。”

奇普斯领导着核结构和天体物理射流实验(JENSA)，该实验有来自3个国家9个机构的合作者。该团队使用了一种独特的气体喷射目标系统，该系统可以产生世界上密度最高的氦射流，用于加速器实验，以了解地球上和外太空中以相同物理原理进行的核反应。

核合成的过程产生新的原子核。当质子或中子被捕获、交换或排出时，一种元素可以变成另一种元素。

中子星具有巨大的引力，可以从附近的恒星中捕获氢和氦。这些物质聚集在中子星表面，直到它在反复爆炸中被点燃，产生新的化学元素。

许多为爆炸提供动力的核反应仍未得到研究。现在，JENSA的合作者在密歇根州立大学的一个实验室里制造出了一种标志性的核反应。它直接限制了通常用于预测元素形成的理论模型，并提高了对产生同位素的恒星动力学的理解。

JENSA系统是在ORNL建造的，现在在MSU运营的美国能源部科学办公室用户设施稀有同位素光束设施中，它提供了一个密度高、纯度高、定位在几毫米内的轻质气体目标。JENSA还将为捕获反应分离器(SECAR)提供主要目标，SECAR是FRIB的一个探测器系统，允许实验核天体物理学家直接测量为爆炸恒星提供动力的反应。ORNL的Michael Smith和Chipps是SECAR项目团队的成员。

在目前的实验中，科学家们用一束氩-34击中了α粒子(氦-4核)的目标。(同位素后面的数字表示质子和中子的总数。)聚变的结果产生了钙-38核，它有20个质子和18个中子。因为这些原子核被激发，它们喷射出质子，最终形成钾-37原子核。

围绕气体射流的高分辨率带电粒子探测器精确地测量了质子反应产物的能量和角度。测量利用了在核物理学家史蒂文·潘的领导下在ORNL开发的探测器和电子设备。考虑到能量和动量守恒，物理学家们进行了反向计算，发现了反应的动力学。

奇普斯说:“我们不仅知道发生了多少反应，而且还知道钾-37核最终的具体能量，这是理论模型预测的成分之一。”

实验室实验提高了对核反应的理解，当物质落在中子星的一个重要子集的表面时，核反应就会发生。当一颗巨大的恒星耗尽燃料，坍缩成一个像佐治亚州亚特兰大这样的城市那么宽的球体时，这些恒星就诞生了。然后，引力将基本粒子尽可能地挤在一起，创造出我们可以直接观察到的密度最大的物质。一茶匙的中子星有一座山那么重。充满中子的恒星旋转速度比搅拌器的叶片还快，形成了宇宙中最强的磁铁。它们的固体外壳包围着液体内核，其中的物质形状像意大利面或千层面，因此它们被称为“核意大利面”。

奇普斯说:“因为中子星非常奇怪，所以它们是一个有用的自然实验室，可以测试中子星在极端条件下的行为。”

实现这种理解需要团队合作。天文学家观察这颗恒星并收集数据。理论家们试图了解恒星内部的物理学。核物理学家在实验室中测量核反应，并根据模型和模拟结果进行测试。这种分析减少了由于缺乏实验数据而产生的巨大不确定性。“当你把所有这些东西放在一起时，你就会真正开始理解发生了什么，”奇普斯说。

“因为中子星的密度很高，它巨大的引力可以把伴星上的氢和氦吸引过来。当这种物质落到表面时，密度和温度变得如此之高，以至于可能发生热核爆炸，并在整个表面传播，”奇普斯说。热核失控使原子核变成更重的元素。“反应顺序可以产生几十种元素。”

表面爆炸不会摧毁中子星，它会回到它之前的状态:以伴星为食，然后爆炸。反复的爆炸将地壳物质拉入混合物中，创造出一种奇怪的成分，在之前的爆炸中形成的重元素与轻量的氢和氦发生反应。

理论模型预测哪些元素会形成。科学家们通常使用一种叫做豪斯-费什巴赫形式的统计理论模型来分析JENSA团队测量的反应，该模型假设原子核的激发能级连续可以参与反应。其他模型则假设只有一个能级参与。

“我们正在测试统计模型有效或无效之间的转换，”奇普斯说。“我们想知道这种转变发生在哪里。因为豪斯-费什巴赫是一种统计形式主义——它依赖于大量的能级，所以每个能级上的效应都是平均的——我们正在寻找这个假设开始崩溃的地方。对于像镁-22和氩-34这样的原子核，有一种预期，即原子核没有足够的能级使这种平均方法有效。我们想测试一下。”

一个问题是，统计模型是否适用于发生在恒星而不是地球实验室的这种反应。“我们的结果表明，统计模型对这种特殊的反应是有效的，这消除了我们对中子星理解的巨大不确定性，”奇普斯说。“这意味着我们现在对这些核反应是如何进行的有了更好的了解。”

接下来，研究人员将试图通过进一步测试其局限性来改进统计模型。过去的一篇论文对镁原子核的原子质量22进行了研究，发现这个模型的误差几乎是原来的10倍。目前ornl领导的论文，探测了12个原子质量单位以上，发现该模型正确地预测了反应速率。

奇普斯说:“在(原子)质量20到30之间的某个地方，统计模型在有效和无效之间的过渡正在发生。”“下一步是在这个范围的中间寻找反应，看看这种转变是在哪里发生的。”奇普斯和她的JENSA合作者已经开始了这项努力。

论文的题目是“第一次直接测量”³⁴基于“增大化现实”技术(α,p)³⁷吸积中子星中混合氢氦燃烧的K反应截面。

美国能源部科学办公室、国家科学基金会和ORNL实验室指导研究与发展项目支持这项工作。