Nucléosynthèse par processus s et processus r

Les éléments plus lourds que le fer ne peuvent être produits par fusion ; ils sont plutôt formés par la capture de neutrons libres par les noyaux, un processus qui se déroule lentement dans les étoiles évoluées et rapidement lors d'événements cataclysmiques tels que les fusions d'étoiles à neutrons.

Definition

Le processus s et le processus r sont respectivement les voies de nucléosynthèse par capture de neutrons lente et rapide, qui construisent des éléments plus lourds que le fer par des captures successives de neutrons et des désintégrations bêta sous des densités de neutrons faibles et élevées.

Scope

Ce sujet couvre les deux principaux processus de capture de neutrons : le processus s lent, dans lequel les captures de neutrons sont lentes par rapport à la désintégration bêta et qui opère dans les étoiles de la branche asymptotique des géantes et les étoiles massives, et le processus r rapide, dans lequel les captures dépassent largement la désintégration bêta dans des environnements riches en neutrons tels que les fusions d'étoiles à neutrons et certaines supernovae, ainsi que les pics d'abondance que chacun d'eux laisse derrière lui.

Core questions

• Comment les éléments plus lourds que le fer sont-ils créés ?
• Qu'est-ce qui distingue le processus lent du processus rapide de capture de neutrons ?
• Où dans l'univers chaque processus se produit-il ?
• Pourquoi les abondances des éléments montrent-elles des pics distincts pour le processus s et le processus r ?

Key concepts

• capture de neutrons
• désintégration bêta
• processus s
• processus r
• nombres magiques
• branche asymptotique des géantes
• fusion d'étoiles à neutrons

Key theories

Le processus lent de capture de neutrons

Lorsque les captures de neutrons sont lentes par rapport à la désintégration bêta des noyaux instables, l'accumulation suit la vallée de stabilité pas à pas ; ce processus s opère dans les étoiles de la branche asymptotique des géantes brûlant l'hélium en coquille et produit environ la moitié des éléments au-delà du fer.

Le processus rapide de capture de neutrons

Sous de très fortes densités de neutrons, les noyaux capturent de nombreux neutrons avant de pouvoir se désintégrer, poussant la matière loin du côté riche en neutrons de la stabilité ; ce processus r, qui se produit lors des fusions d'étoiles à neutrons et de rares supernovae, produit les éléments les plus lourds, y compris les actinides.

Mechanisms

Un noyau germe capture un neutron libre pour devenir un isotope plus lourd ; si le nouvel isotope est instable, il se désintègre finalement par désintégration bêta pour former l'élément suivant. Lorsque les captures sont lentes, le chemin suit la vallée de stabilité, mais lorsque les neutrons sont abondants, le noyau en capture un grand nombre avant de se désintégrer, atteignant des isotopes très riches en neutrons qui se désintègrent pour revenir à la stabilité après la fin du flux de neutrons, laissant des pics d'abondance caractéristiques aux nombres magiques nucléaires.

Clinical relevance

Les processus de capture de neutrons expliquent l'origine d'environ la moitié des éléments plus lourds que le fer, y compris l'or, le platine et l'uranium ; l'identification de leurs sites, confirmée pour le processus r par la fusion d'étoiles à neutrons de 2017, est essentielle pour comprendre l'évolution chimique galactique et les abondances mesurées dans les étoiles anciennes.

History

Le processus s et le processus r ont été distingués dans la revue B2FH de 1957 et les travaux indépendants de Cameron ; le site du processus s dans les étoiles de la branche asymptotique des géantes a été établi par une modélisation ultérieure, et le site du processus r a été fortement lié aux fusions d'étoiles à neutrons après la détection gravitationnelle et électromagnétique d'une telle fusion en 2017.

Debates

Le site astrophysique dominant du processus r

La question de savoir si les fusions d'étoiles à neutrons produisent à elles seules la majeure partie des éléments du processus r, ou si de rares supernovae, telles que les explosions magnétorotationnelles, y contribuent également de manière significative, reste à l'étude ; les profils d'abondance dans les étoiles anciennes et le moment de l'enrichissement fournissent des contraintes concurrentes.

Key figures

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

Seminal works

• b2fh1957
• cowan2021

Frequently asked questions

D'où vient l'or ?

L'or et les autres éléments stables les plus lourds sont produits par le processus rapide de capture de neutrons, qui nécessite d'énormes densités de neutrons ; le site principal est la fusion de deux étoiles à neutrons, un lien soutenu par l'observation multi-messagers d'un tel événement en 2017.

Quelle est la différence entre le processus s et le processus r ?

Les deux processus construisent des éléments lourds par capture de neutrons, mais le processus s capture les neutrons lentement de sorte que les noyaux instables se désintègrent entre les captures, tandis que le processus r les capture si rapidement que les noyaux deviennent très riches en neutrons avant de se désintégrer, atteignant des éléments que le processus s ne peut pas produire.