中国科学院近代物理研究所的科研人员及合作者近日开展了恒星环境下⁵⁹Fe激发态β衰变寿命的实验研究并取得重要进展。该研究结束了长期以来⁵⁹Fe星体环境β衰变速率只能依赖理论计算的现状，对于理解恒星中⁶⁰Fe的合成过程及天文观测具有重要意义，相关成果于4月12日发表在Physics Review Letters上。

放射性核素⁶⁰Fe(半衰期约230万年)在核天体物理研究中扮演着重要角色。太空中的⁶⁰Fe在衰变过程中会发射出特征γ射线，为研究天体演化及核素合成提供重要数据。与此同时，宇宙中的另外一个放射性核素²⁶Al(半衰期约72万年)，与⁶⁰Fe有极其类似的合成场所。通过比较它们衰变所发射的特征γ射线通量，可以提取恒星演化过程的重要信息，并检验星体模型。然而，研究发现，⁶⁰Fe与²⁶Al特征γ射线通量之比与理论预言并不相符，其中一个重要影响因素是⁵⁹Fe在星体环境下的β衰变速率无法准确测量，在星体模型计算中只能依赖于理论计算，这导致⁶⁰Fe在大质量恒星中的产额无法精确计算。

为解决这一难题，中科院近代物理所的研究人员首次提出了利用电荷交换反应间接测量⁵⁹Fe激发态β衰变寿命的想法，并得到了国际同行的高度认可，实验在美国超导回旋加速器国家实验室(NSCL)加速器上进行。

实验中，研究人员利用该实验室提供的次级束流氚轰击⁵⁹Co靶，将⁵⁹Co激发到⁵⁹Fe的激发态，并利用高精度磁谱仪S800和大型伽马探测器阵列GRETINA测量反应产生的³He粒子和⁵⁹Fe退激发射的γ射线，成功提取出了计算⁵⁹Fe激发态β衰变速率的重要信息。该成果结束了长期以来⁵⁹Fe星体环境下的β衰变速率只能依赖理论计算的现状，对理解⁶⁰Fe的核合成过程具有重要意义。

此外，结合最新测量结果，科研人员通过星体模型计算发现⁶⁰Fe在18倍太阳质量的恒星中产额比以往的计算结果下降了40%，该结果缩小了⁶⁰Fe与26Al特征γ射线通量的理论预言与实验观察之间的差异，为理解该问题提供了重要的实验数据。

该研究得到了科技部重点研发计划(2016YFA0400501)和中科院战略性先导科技专项(B类)(XDB34020200)的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.152701

左图：大质量恒星碳壳层燃烧过程中⁶⁰Fe的合成路径图;右图：星体环境下⁵⁹Fe的β衰变纲图

 

图：18倍太阳质量⁶⁰Fe产额。蓝色(LMP)为以往计算结果，红色(present work)为利用本实验数据的计算结果