두 개의 불안정한 원자가 중성자별 폭발의 기록을 바꾸고 있다

과학자들은 극도로 불안정한 두 원자의 무게를 측정함으로써 우주에서 가장 격렬한 별 폭발 속에서 원소가 어떻게 생성되는지에 대한 더 명확한 이해를 얻게 되었습니다. (사진 제공: Shutterstock)

중국과학원(CAS) 산하 현대물리연구소(IMP)의 과학자들이 극도로 불안정한 원자핵인 인-26과 황-27의 질량을 직접 측정했습니다. 이러한 고정밀 측정 결과는 X선 폭발 시 핵 반응 속도를 계산하는 데 필요한 핵심 데이터를 제공하며, 연구자들이 우주에서 가장 극한적인 환경에서 화학 원소가 어떻게 생성되는지 더 잘 이해하는 데 도움을 줍니다.

이번 연구 결과는 12월 1일자 천체물리학 저널(The Astrophysical Journal) 에 게재되었습니다.

1형 X선 폭발의 동력원은 무엇인가?

1형 X선 폭발은 은하계 전역에서 관측되는 강렬하고 반복적인 열핵 폭발 현상입니다. 이러한 폭발은 일반적으로 질량이 작은 X선 쌍성계에서 발생하는데, 이때 밀도가 높은 중성자별이 근처의 동반성으로부터 물질을 끌어당깁니다. 중성자별 표면에 수소와 헬륨이 축적되면서 불안정한 핵융합 반응이 일어나 막대한 양의 에너지가 방출됩니다.

이 폭발적인 과정은 rp 과정으로 알려진 빠른 양성자 포획 반응에 의해 진행됩니다. rp 과정 동안 원자핵은 빠르게 양성자를 흡수하여 더 무거운 원소로 변환됩니다. 이러한 반응이 얼마나 빠르게 일어나는지, 그리고 어떤 핵 경로가 지배적인지는 관련된 핵의 정확한 질량에 크게 좌우됩니다.

핵 질량을 정확히 측정하기 어려운 이유

rp 과정에 관여하는 많은 핵종들은 양성자 방출선 근처에 존재하는데, 이는 이들이 매우 불안정하고 빠르게 붕괴한다는 것을 의미합니다. 수명이 짧기 때문에 이들의 질량은 제대로 알려져 있지 않거나 아예 측정되지 않은 경우가 많습니다. 이러한 데이터 부족으로 인해 과학자들은 X선 폭발 동안 발생하는 핵 반응을 정확하게 모델링하는 데 어려움을 겪어왔습니다.

이번 연구의 공동 저자 중 한 명인 IMP의 얀 신량 박사에 따르면, 연구자들은 인-26과 황-27이 관여하는 반응 경로가 rp 과정에서 중요한 역할을 하는지에 대해 수년간 논쟁을 벌여왔습니다. 이러한 불확실성은 주로 이들 핵종의 질량 측정값이 부족하거나 부정확했기 때문입니다.

희귀 핵종을 높은 정밀도로 측정하기

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 자기 강성 정의 등시 질량 분석법을 사용하여 인-26과 황-27의 질량을 직접 측정했습니다. 실험은 란저우 중이온 연구 시설(HIRFL-CSR)의 냉각 저장 링에서 수행되었습니다.

새로운 측정 결과에 따르면 황-27의 양성자 분리 에너지는 이전 추정치보다 129~267keV 더 높은 것으로 나타났습니다. 이 값의 정밀도는 이전 데이터에 비해 8배 향상되었습니다.

폭발하는 별 내부에서 일어나는 더 빠른 반응

연구진은 업데이트된 질량 값을 사용하여 X선 폭발 동안 핵 반응이 어떻게 진행되는지 재계산했습니다. 일반적인 폭발 조건에서 26P(p,γ)27S 반응 속도는 0.4~2기가켈빈(GK) 범위의 온도에서 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. 1GK에서는 반응 속도가 이전 추정치보다 최대 5배까지 높아질 수 있습니다.

수정된 데이터는 역반응 속도의 불확실성을 크게 줄였습니다. 그 결과, 모델은 인-26에 비해 황-27의 존재량이 더 많을 것으로 예측하며, 이는 이러한 항성 폭발 동안 핵물질이 황-27 쪽으로 더 효율적으로 흐른다는 것을 나타냅니다.

"우리가 얻은 고정밀 질량 측정 결과와 그에 따른 새로운 반응 속도는 천체물리학적 반응 네트워크에 더욱 신뢰할 수 있는 정보를 제공하며, X선 폭발의 인-황 영역 내 핵합성 경로에 대한 불확실성을 해소합니다."라고 이번 연구의 공동 교신 저자인 IMP의 수칭 후 박사가 말했습니다.

국제 협력 및 연구 지원

이 프로젝트는 독일 헬름홀츠 중이온 연구소(GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research)와 막스 플랑크 핵물리학 연구소(Max Planck Institute for Nuclear Physics)의 과학자들, 그리고 일본 사이타마 대학의 연구진과의 협력으로 진행되었습니다.

본 연구는 중국 국가 핵심 연구 개발 프로그램, 중국과학원 청년 혁신 진흥 협회, 그리고 중국과학원 지역 개발 청년 학자 프로젝트의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251223084532.htm