关键词:
核结构
核反应
核合成
Ⅰ型X射线暴
天体反应率
快质子俘获过程
摘要:
在低质量X射线双星系统中,恒星物质在中子星上的吸积会引发不稳定的热核爆发,称为I型X射线暴。在数秒内,氢和(或)氦的外壳层经核聚变转变为更重元素,此过程中吸积包层被加热至约0.5-2 GK。以X射线为主导的热发射爆发持续约10-100秒,该过程可借助X射线望远镜进行观测。爆发的性质反映出中子星表面的局部条件。使用计算模型模拟这些爆发事件能够提供吸积系统性质相关的物理信息。本论文基于具有大型核反应网络的一维天体物理模型来模拟X射线爆发。该模型可以追踪同位素在约6000个核反应路径中的演变,预测释放的核能和爆发灰烬的最终组成。在GS 1826-24时钟型X射线爆发期间,快质子俘获过程路径中的核反应流首先通过镍铜(NiCu)循环和锌镓(ZnGa)循环,从而影响锗(Ge)和硒(Se)同位素上方区域的氢燃烧程度。因此,确定NiCu和ZnGa循环中的关键反应率对研究X射线爆发的性质至关重要。本论文主要有以下两项工作:
基于实验确定的重要核结构信息,利用同位旋多重态质量方程和大规模壳模型计算推导出了 57Cu(p,γ)58Zn反应率。理论家们发现,NiCu循环中的57Cu(p,γ)58Zn反应对爆发光曲线有重要影响。我们基于同位旋多重态质量方程给出58Zn中11+和23+两个主导共振态的可能排序,并对12+主共振态的能量进行约束。研究发现后者对反应率有重要影响,约束后的12+态共振能量导致其对总反应率的贡献减少。在对GS 1826-24时钟型爆发敏感的温度范围内,新计算的反应率比JINA REACLIB v2.2推荐的反应率低4倍。我们利用自洽一维多区流体动力学程序,KEPLER,来模拟GS 1826-24的热核X射线爆发。结果显示,新的57Cu(p,γ)58Zn 反应率加上最新的 56Ni(p,γ)57Cu 和 55Ni(p,γ)56Cu 反应率对 NiCu循环中的反应流进行了重新分配,并对爆发灰烬的组成产生了显著的影响。而59Cu(p,α)56Ni 和 59Cu(p,γ)60Zn 抑制了 57Cu(p,γ)58Zn 反应率的影响,并减少了55Ni(p,γ)56Cu反应引发的核反应流绕过56Ni等待点行为对爆发光曲线的影响。
基于完整pf壳层空间的大规模壳模型计算推出的核结构信息,对最新的实验数据予以补充,我们构建和约束了Ⅰ型X射线暴敏感温度区内的63Ga(p,γ)64Ge和 64Ge(p,γ)65As 反应率。连接 ZnGa 和 GeAs 循环的 63Ga(p,γ)64Ge 和 64Ge(p,γ)65As反应,改变了质子快速俘获过程的路径,进而导致周期性爆发呈现可观察到的差异,对周期性爆发的快质子俘获过程和爆发光曲线方面具有重要意义。同样使用自洽一维多区流体动力学程序KEPLER,我们研究新计算的63Ga(p,γ)64Ge和64Ge(p,γ)65As反应率对GS 1826-24时钟型爆发和SAX J1808.4-3658光球半径膨胀爆发的爆发光曲线,复现时间和通量的影响。通过限制模型来再现观测到的爆发峰值、光曲线、通量和复现时间,结果表明新测量的64Ge,65As质子分离能和各自的质子俘获反应率对GS 1826-24时钟型X射线爆发的光曲线的影响与前人研究不同。而在模拟过程中我们还发现,除新的63Ga(p,γ)64Ge和64Ge(p,γ)65As反应率之外,加上或去除22Mg(α,p)25Al反应率对SAX J1808.4-3658光球半径膨胀爆发的影响是显著的。