Nucleosíntesis de los procesos s y r

Los elementos más pesados que el hierro no pueden formarse por fusión; en su lugar, se construyen mediante la captura de neutrones libres por parte de los núcleos, un proceso que se desarrolla lentamente en estrellas evolucionadas y rápidamente en eventos cataclísmicos como las fusiones de estrellas de neutrones.

Definition

Los procesos s y r son las vías de nucleosíntesis por captura de neutrones lenta y rápida, respectivamente, que construyen elementos más pesados que el hierro mediante sucesivas capturas de neutrones y desintegraciones beta bajo densidades de neutrones bajas y altas.

Scope

El tema abarca los dos principales procesos de captura de neutrones: el proceso lento (proceso s), en el que las capturas de neutrones son lentas en comparación con la desintegración beta y que opera en estrellas de la rama asintótica de las gigantes y estrellas masivas, y el proceso rápido (proceso r), en el que las capturas superan ampliamente a la desintegración beta en entornos ricos en neutrones como las fusiones de estrellas de neutrones y ciertas supernovas, junto con los picos de abundancia que cada uno deja.

Core questions

• ¿Cómo se crean los elementos más pesados que el hierro?
• ¿Qué distingue el proceso lento del proceso rápido de captura de neutrones?
• ¿En qué parte del universo ocurre cada proceso?
• ¿Por qué las abundancias de los elementos muestran picos distintos de los procesos s y r?

Key concepts

• captura de neutrones
• desintegración beta
• proceso s
• proceso r
• números mágicos
• rama asintótica de las gigantes
• fusión de estrellas de neutrones

Key theories

El proceso lento de captura de neutrones

Cuando las capturas de neutrones son lentas en comparación con la desintegración beta de los núcleos inestables, la acumulación sigue el valle de estabilidad paso a paso; este proceso s opera en estrellas de la rama asintótica de las gigantes con quema de helio en la capa y produce aproximadamente la mitad de los elementos más allá del hierro.

El proceso rápido de captura de neutrones

Bajo densidades de neutrones muy altas, los núcleos capturan muchos neutrones antes de que puedan desintegrarse, llevando el material muy lejos hacia el lado rico en neutrones de la estabilidad; este proceso r, que tiene lugar en fusiones de estrellas de neutrones y supernovas raras, produce los elementos más pesados, incluidos los actínidos.

Mechanisms

Un núcleo semilla captura un neutrón libre para convertirse en un isótopo más pesado; si el nuevo isótopo es inestable, finalmente se desintegra beta para formar el siguiente elemento. Cuando las capturas son lentas, la trayectoria se mantiene cerca de la estabilidad, pero cuando los neutrones son abundantes, el núcleo captura muchos antes de desintegrarse, alcanzando isótopos muy ricos en neutrones que se desintegran de nuevo a la estabilidad después de que finaliza el flujo de neutrones, dejando picos de abundancia característicos en los números mágicos nucleares.

Clinical relevance

Los procesos de captura de neutrones explican el origen de aproximadamente la mitad de los elementos más pesados que el hierro, incluyendo el oro, el platino y el uranio; la identificación de sus sitios, confirmada para el proceso r por la fusión de estrellas de neutrones de 2017, es fundamental para comprender la evolución química galáctica y las abundancias medidas en estrellas antiguas.

History

Los procesos s y r se distinguieron en la revisión B2FH de 1957 y en el trabajo independiente de Cameron; el sitio del proceso s en las estrellas de la rama asintótica de las gigantes se estableció mediante modelos posteriores, y el sitio del proceso r se vinculó fuertemente a las fusiones de estrellas de neutrones después de la detección de ondas gravitacionales y electromagnéticas de tal fusión en 2017.

Debates

El sitio astrofísico dominante del proceso r

Todavía se está estudiando si las fusiones de estrellas de neutrones por sí solas producen la mayor parte de los elementos del proceso r, o si las supernovas raras, como las explosiones magnetorrotacionales, también contribuyen significativamente; los patrones de abundancia en estrellas antiguas y el momento del enriquecimiento proporcionan restricciones contrapuestas.

Key figures

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

Seminal works

• b2fh1957
• cowan2021

Frequently asked questions

¿De dónde proviene el oro?

El oro y los demás elementos estables más pesados se forman mediante el proceso rápido de captura de neutrones, que requiere enormes densidades de neutrones; el sitio principal es la fusión de dos estrellas de neutrones, una conexión respaldada por la observación multimessenger de tal evento en 2017.

¿Cuál es la diferencia entre el proceso s y el proceso r?

Ambos construyen elementos pesados mediante la captura de neutrones, pero el proceso s captura neutrones lentamente, por lo que los núcleos inestables se desintegran entre capturas, mientras que el proceso r los captura tan rápidamente que los núcleos se vuelven muy ricos en neutrones antes de desintegrarse, alcanzando elementos que el proceso s no puede producir.