s-Prozess- und r-Prozess-Nukleosynthese

Elemente, die schwerer als Eisen sind, können nicht durch Fusion erzeugt werden; stattdessen werden sie durch Kerne aufgebaut, die freie Neutronen einfangen, ein Prozess, der in entwickelten Sternen langsam und bei katastrophalen Ereignissen wie Neutronensternverschmelzungen schnell abläuft.

Definition

Der s-Prozess und der r-Prozess sind die langsamen bzw. schnellen Nukleosynthesewege des Neutroneneinfangs, die Elemente, die schwerer als Eisen sind, durch sukzessive Neutroneneinfänge und Beta-Zerfälle unter niedrigen und hohen Neutronendichten aufbauen.

Scope

Das Thema behandelt die beiden Hauptprozesse des Neutroneneinfangs: den langsamen s-Prozess, bei dem der Neutroneneinfang im Vergleich zum Beta-Zerfall langsam ist und der in asymptotischen Riesenaststernen und massereichen Sternen abläuft, und den schnellen r-Prozess, bei dem der Einfang in neutronenreichen Umgebungen wie Neutronensternverschmelzungen und bestimmten Supernovae den Beta-Zerfall bei weitem übertrifft, zusammen mit den Häufigkeitsspitzen, die jeder hinterlässt.

Core questions

• Wie entstehen Elemente, die schwerer als Eisen sind?
• Was unterscheidet den langsamen vom schnellen Neutroneneinfangprozess?
• Wo im Universum findet jeder Prozess statt?
• Warum zeigen die Elementhäufigkeiten deutliche s-Prozess- und r-Prozess-Spitzen?

Key concepts

• Neutroneneinfang
• Beta-Zerfall
• s-Prozess
• r-Prozess
• magische Zahlen
• asymptotischer Riesenast
• Neutronensternverschmelzung

Key theories

Der langsame Neutroneneinfangprozess

Wenn Neutroneneinfänge im Vergleich zum Beta-Zerfall instabiler Kerne langsam sind, folgt der Aufbau dem Tal der Stabilität Schritt für Schritt; dieser s-Prozess läuft in Heliumschalen-brennenden asymptotischen Riesenaststernen ab und erzeugt etwa die Hälfte der Elemente jenseits von Eisen.

Der schnelle Neutroneneinfangprozess

Unter sehr hohen Neutronendichten fangen Kerne viele Neutronen ein, bevor sie zerfallen können, wodurch Material weit auf die neutronenreiche Seite der Stabilität getrieben wird; dieser r-Prozess, der in Neutronensternverschmelzungen und seltenen Supernovae stattfindet, erzeugt die schwersten Elemente einschließlich der Aktiniden.

Mechanisms

Ein Ausgangskern fängt ein freies Neutron ein, um ein schwereres Isotop zu werden; wenn das neue Isotop instabil ist, zerfällt es schließlich durch Beta-Zerfall zum nächsten Element. Wenn die Einfänge langsam sind, folgt der Pfad der Stabilität, aber wenn Neutronen reichlich vorhanden sind, fängt der Kern viele ein, bevor er zerfällt, und erreicht sehr neutronenreiche Isotope, die nach dem Ende des Neutronenflusses zur Stabilität zurückzerfallen und charakteristische Häufigkeitsspitzen bei den magischen Kernzahlen hinterlassen.

Clinical relevance

Neutroneneinfangprozesse erklären die Entstehung von etwa der Hälfte der Elemente, die schwerer als Eisen sind, einschließlich Gold, Platin und Uran; die Identifizierung ihrer Entstehungsorte, die für den r-Prozess durch die Neutronensternverschmelzung von 2017 bestätigt wurden, ist zentral für das Verständnis der galaktischen chemischen Evolution und der in alten Sternen gemessenen Häufigkeiten.

History

Der s-Prozess und der r-Prozess wurden 1957 in der B2FH-Übersicht und in Camerons unabhängiger Arbeit unterschieden; der Ort des s-Prozesses in asymptotischen Riesenaststernen wurde durch spätere Modellierungen etabliert, und der Ort des r-Prozesses wurde nach der gravitationswellen- und elektromagnetischen Detektion einer solchen Verschmelzung im Jahr 2017 stark mit Neutronensternverschmelzungen in Verbindung gebracht.

Debates

Der dominante astrophysikalische Ort des r-Prozesses

Ob Neutronensternverschmelzungen allein den Großteil der r-Prozess-Elemente produzieren oder ob seltene Supernovae wie magnetorotatorische Explosionen ebenfalls wesentlich dazu beitragen, wird noch untersucht; Häufigkeitsmuster in alten Sternen und der Zeitpunkt der Anreicherung liefern konkurrierende Einschränkungen.

Key figures

• Margaret Burbidge
• Alastair Cameron
• Friedrich-Karl Thielemann
• John Cowan

Seminal works

• b2fh1957
• cowan2021

Frequently asked questions

Woher kommt Gold?

Gold und die anderen schwersten stabilen Elemente werden durch den schnellen Neutroneneinfangprozess erzeugt, der enorme Neutronendichten erfordert; der führende Ort ist die Verschmelzung zweier Neutronensterne, eine Verbindung, die durch die Multi-Messenger-Beobachtung eines solchen Ereignisses im Jahr 2017 gestützt wird.

Was ist der Unterschied zwischen dem s-Prozess und dem r-Prozess?

Beide bauen schwere Elemente durch Neutroneneinfang auf, aber der s-Prozess fängt Neutronen langsam ein, so dass instabile Kerne zwischen den Einfängen zerfallen, während der r-Prozess sie so schnell einfängt, dass Kerne sehr neutronenreich werden, bevor sie zerfallen, und Elemente erreichen, die der s-Prozess nicht erzeugen kann.