Nucleossíntese por Processo-s e Processo-r

Elementos mais pesados que o ferro não podem ser formados por fusão; em vez disso, são construídos pela captura de nêutrons livres por núcleos, um processo que ocorre lentamente em estrelas evoluídas e rapidamente em eventos cataclísmicos, como fusões de estrelas de nêutrons.

Definition

O processo-s e o processo-r são, respectivamente, as vias de nucleossíntese por captura de nêutrons lenta e rápida, que constroem elementos mais pesados que o ferro através de sucessivas capturas de nêutrons e decaimentos beta sob baixas e altas densidades de nêutrons.

Scope

O tópico abrange os dois principais processos de captura de nêutrons: o processo-s lento, no qual as capturas de nêutrons são lentas em comparação com o decaimento beta e que opera em estrelas da ramificação gigante assintótica e estrelas massivas, e o processo-r rápido, no qual as capturas superam vastamente o decaimento beta em ambientes ricos em nêutrons, como fusões de estrelas de nêutrons e certas supernovas, juntamente com os picos de abundância que cada um deixa para trás.

Core questions

• Como são criados os elementos mais pesados que o ferro?
• O que distingue o processo de captura de nêutrons lento do rápido?
• Onde no universo cada processo ocorre?
• Por que as abundâncias de elementos mostram picos distintos de processo-s e processo-r?

Key concepts

• captura de nêutrons
• decaimento beta
• processo-s
• processo-r
• números mágicos
• ramificação gigante assintótica
• fusão de estrelas de nêutrons

Key theories

O processo lento de captura de nêutrons

Quando as capturas de nêutrons são lentas em comparação com o decaimento beta de núcleos instáveis, a formação segue o vale da estabilidade um passo de cada vez; este processo-s opera em estrelas da ramificação gigante assintótica que queimam hélio em sua camada e produz aproximadamente metade dos elementos além do ferro.

O processo rápido de captura de nêutrons

Sob densidades de nêutrons muito altas, os núcleos capturam muitos nêutrons antes que possam decair, impulsionando o material para o lado rico em nêutrons da estabilidade; este processo-r, que ocorre em fusões de estrelas de nêutrons e supernovas raras, forma os elementos mais pesados, incluindo os actinídeos.

Mechanisms

Um núcleo semente captura um nêutron livre para se tornar um isótopo mais pesado; se o novo isótopo for instável, ele eventualmente decai beta para o próximo elemento. Quando as capturas são lentas, o caminho segue a estabilidade, mas quando os nêutrons são abundantes, o núcleo captura muitos antes de decair, atingindo isótopos muito ricos em nêutrons que decaem de volta à estabilidade após o fim do fluxo de nêutrons, deixando picos de abundância característicos nos números mágicos nucleares.

Clinical relevance

Os processos de captura de nêutrons são responsáveis pela origem de cerca de metade dos elementos mais pesados que o ferro, incluindo ouro, platina e urânio; a identificação de seus locais, confirmada para o processo-r pela fusão de estrelas de nêutrons de 2017, é central para a compreensão da evolução química galáctica e das abundâncias medidas em estrelas antigas.

History

O processo-s e o processo-r foram distinguidos na revisão B2FH de 1957 e no trabalho independente de Cameron; o local do processo-s em estrelas da ramificação gigante assintótica foi estabelecido por modelagem posterior, e o local do processo-r foi fortemente ligado a fusões de estrelas de nêutrons após a detecção de ondas gravitacionais e eletromagnéticas de tal fusão em 2017.

Debates

O local astrofísico dominante do processo-r

Permanece em estudo se as fusões de estrelas de nêutrons sozinhas produzem a maior parte dos elementos do processo-r, ou se supernovas raras, como explosões magnetorrotacionais, também contribuem significativamente; padrões de abundância em estrelas antigas e o momento do enriquecimento fornecem restrições concorrentes.

Key figures

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

Seminal works

• b2fh1957
• cowan2021

Frequently asked questions

De onde vem o ouro?

O ouro e os outros elementos estáveis mais pesados são produzidos pelo processo rápido de captura de nêutrons, que requer densidades de nêutrons enormes; o principal local é a fusão de duas estrelas de nêutrons, uma conexão apoiada pela observação multi-mensageira de tal evento em 2017.

Qual a diferença entre o processo-s e o processo-r?

Ambos constroem elementos pesados por captura de nêutrons, mas o processo-s captura nêutrons lentamente, de modo que os núcleos instáveis decaem entre as capturas, enquanto o processo-r os captura tão rapidamente que os núcleos se tornam muito ricos em nêutrons antes de decair, atingindo elementos que o processo-s não consegue produzir.