s-процесс и r-процесс нуклеосинтеза

Элементы тяжелее железа не могут быть образованы путём слияния; вместо этого они формируются ядрами, захватывающими свободные нейтроны — процесс, который медленно протекает в эволюционировавших звёздах и быстро в катаклизмических событиях, таких как слияния нейтронных звёзд.

Definition

s-процесс и r-процесс — это, соответственно, медленные и быстрые пути нуклеосинтеза путём нейтронного захвата, которые формируют элементы тяжелее железа посредством последовательных захватов нейтронов и бета-распадов при низкой и высокой плотности нейтронов.

Scope

Тема охватывает два основных процесса нейтронного захвата: медленный s-процесс, при котором захват нейтронов происходит медленнее, чем бета-распад, и который действует в звёздах асимптотической ветви гигантов и массивных звёздах, и быстрый r-процесс, при котором захват значительно опережает бета-распад в богатых нейтронами средах, таких как слияния нейтронных звёзд и определённые сверхновые, а также пики распространённости, которые каждый из них оставляет.

Core questions

• Как образуются элементы тяжелее железа?
• Что отличает медленный процесс нейтронного захвата от быстрого?
• Где во Вселенной происходит каждый из этих процессов?
• Почему распространённость элементов показывает отчётливые пики s-процесса и r-процесса?

Key concepts

• захват нейтронов
• бета-распад
• s-процесс
• r-процесс
• магические числа
• асимптотическая ветвь гигантов
• слияние нейтронных звёзд

Key theories

Медленный процесс нейтронного захвата

Когда захват нейтронов происходит медленнее, чем бета-распад нестабильных ядер, накопление следует по долине стабильности шаг за шагом; этот s-процесс действует в звёздах асимптотической ветви гигантов с горением гелиевой оболочки и производит примерно половину элементов тяжелее железа.

Быстрый процесс нейтронного захвата

При очень высоких плотностях нейтронов ядра захватывают много нейтронов до того, как они успевают распасться, смещая материал далеко в нейтронно-избыточную сторону стабильности; этот r-процесс, происходящий при слияниях нейтронных звёзд и редких сверхновых, создаёт самые тяжёлые элементы, включая актиниды.

Mechanisms

Затравочное ядро захватывает свободный нейтрон, становясь более тяжёлым изотопом; если новый изотоп нестабилен, он в конечном итоге подвергается бета-распаду до следующего элемента. Когда захваты происходят медленно, путь следует по долине стабильности, но когда нейтронов много, ядро захватывает их много до распада, достигая очень богатых нейтронами изотопов, которые распадаются обратно к стабильности после прекращения потока нейтронов, оставляя характерные пики распространённости на ядерных магических числах.

Clinical relevance

Процессы нейтронного захвата объясняют происхождение примерно половины элементов тяжелее железа, включая золото, платину и уран; определение их местонахождения, подтверждённое для r-процесса слиянием нейтронных звёзд в 2017 году, является центральным для понимания галактической химической эволюции и распространённости, измеренной в старых звёздах.

History

s-процесс и r-процесс были разграничены в обзоре B2FH 1957 года и независимой работе Кэмерона; место s-процесса в звёздах асимптотической ветви гигантов было установлено посредством последующего моделирования, а место r-процесса было тесно связано со слияниями нейтронных звёзд после гравитационно-волнового и электромагнитного обнаружения такого слияния в 2017 году.

Debates

Доминирующее астрофизическое место r-процесса

Остаётся предметом изучения, производят ли слияния нейтронных звёзд основную массу элементов r-процесса в одиночку, или же редкие сверхновые, такие как магниторотационные взрывы, также вносят значительный вклад; модели распространённости в старых звёздах и время обогащения предоставляют конкурирующие ограничения.

Key figures

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

Seminal works

• b2fh1957
• cowan2021

Frequently asked questions

Откуда берётся золото?

Золото и другие самые тяжёлые стабильные элементы образуются в результате быстрого процесса нейтронного захвата, который требует огромных плотностей нейтронов; ведущим местом является слияние двух нейтронных звёзд, что подтверждается мультимессенджерным наблюдением такого события в 2017 году.

В чём разница между s-процессом и r-процессом?

Оба процесса создают тяжёлые элементы путём захвата нейтронов, но s-процесс захватывает нейтроны медленно, так что нестабильные ядра распадаются между захватами, в то время как r-процесс захватывает их настолько быстро, что ядра становятся очень богатыми нейтронами до распада, достигая элементов, которые s-процесс не может создать.