鉛核的「中子皮」比想像中還要皮粗肉糙,恐影響中子星理論

作者 | 發布日期 2021 年 04 月 29 日 9:59 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


在核物理及天體物理學中,原子核表層的中子皮(neutron skin)厚度有著重要作用,因為它涉及中子星的結構、冷卻、旋轉週期等。最近科學家測量了鉛核的中子皮,發現其厚度是過去認為的 2 倍,這結果可能隱含一項不得了的發現:中子星比理論預測還要更堅硬、巨大。

我們知道原子核由質子與中子構成,這些核子透過強核力束縛在一起。一般來說,當質子與中子數量差距過大時,會增加原子核內能並致使它變得不穩定,但理論預測穩定的原子核內通常質子與中子數量近乎相等,然後再被一層中子皮覆蓋。根據模型,中子皮可以想像成很多中子分布在原子核表面,形成一層包裹內核的皮,核中有質子和一些中子,核外則是電子。

最近核物理學家正在研究質子與中子在鉛原子核中分布的精細細節,利用美國托馬斯·傑斐遜國家加速器裝置(Thomas Jefferson National Accelerator Facility,TJNAF)的實驗,研究團隊針對鉛-208 的中子皮厚度進行高度精確新測量,研究結果表明鉛核中子皮厚度為 0.28 飛米,比過去預測的數字還要高 2 倍。

鉛在所有穩定元素中擁有最高原子序數(82),而同位素鉛-208(208Pb)含有 82 個質子、126 個中子。美國維吉尼亞大學物理學家 Kent Paschke 解釋,只含幾個質子的輕原子核通常內部具有相等數量的質子和中子,但擁有 20 個以上質子的重原子核則兩者數量懸殊,通常中子比質子還要多,測量這些額外的中子在原子核內如何分布,是了解重原子如何組合在一起的關鍵。

▲ 中子皮厚度比預期大 2 倍,可能影響理論預測的中子星實際大小。(Source:NASA

然而中子很難測量,因為目前設備主要仰賴電磁作用來測量粒子電荷,但中子不帶電荷,因此必須改用其他基本力相互作用探測,PREx-II 實驗便利用弱核力來研究中子分布。在實驗中,精確控制的電子束被撞入低溫鉛薄片,由於電子根據中子的自旋方向以不同速率與中子相互作用,因此能揭示核內中子球的寬度,再進一步計算出中子皮厚度。

由於中子皮厚度涉及中子星的性質,如果中子皮比過去預測得還要厚,則代表中子星的可壓縮性比當前多數理論預測的還要小,也就是說中子星實際上可能更大顆,比如當前理論多得出中子星半徑約 10 公里,但另一篇新論文表明中子星的半徑可能為 13.25~14.25 公里。

2019 年時,美國馬里蘭大學帕克分校科學家團隊也曾使用中子星內部成分探測器(Neutron star Interior Composition Explorer,NICER)數據估算脈衝星 J0030 + 0451(簡稱 J0030)的大小和質量,發現這顆中子星直徑約 26 公里。

這次令人驚訝的結果,可能促使核物理學家和天體物理學家重新檢查原子核與中子星之間的理論關聯。新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊。

(首圖來源:傑斐遜實驗室

延伸閱讀: