กระบวนการเอส (s-Process) และกระบวนการอาร์ (r-Process) ในการสังเคราะห์นิวเคลียส

ธาตุที่หนักกว่าเหล็กไม่สามารถเกิดขึ้นได้จากการหลอมรวมนิวเคลียส แต่จะถูกสร้างขึ้นโดยนิวเคลียสที่จับนิวตรอนอิสระ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ ในดาวฤกษ์ที่วิวัฒนาการแล้ว และเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในเหตุการณ์หายนะ เช่น การรวมตัวของดาวนิวตรอน

Definition

กระบวนการเอส (s-process) และกระบวนการอาร์ (r-process) เป็นเส้นทางสังเคราะห์นิวเคลียสแบบจับนิวตรอนแบบช้าและเร็วตามลำดับ ซึ่งสร้างธาตุที่หนักกว่าเหล็กผ่านการจับนิวตรอนและการสลายตัวแบบเบตาอย่างต่อเนื่องภายใต้ความหนาแน่นของนิวตรอนต่ำและสูง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกระบวนการจับนิวตรอนหลักสองกระบวนการ ได้แก่ กระบวนการเอส (s-process) แบบช้า ซึ่งการจับนิวตรอนเกิดขึ้นช้าเมื่อเทียบกับการสลายตัวแบบเบตา และเกิดขึ้นในดาวสาขาเชิงกำเนิดมหึมา (asymptotic giant branch) และดาวฤกษ์มวลมาก และกระบวนการอาร์ (r-process) แบบเร็ว ซึ่งการจับนิวตรอนเกิดขึ้นเร็วกว่าการสลายตัวแบบเบตาอย่างมากในสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยนิวตรอน เช่น การรวมตัวของดาวนิวตรอนและซูเปอร์โนวาบางชนิด รวมถึงยอดความอุดมสมบูรณ์ที่แต่ละกระบวนการทิ้งไว้

Core questions

• ธาตุที่หนักกว่าเหล็กเกิดขึ้นได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างกระบวนการจับนิวตรอนแบบช้าและแบบเร็ว?
• แต่ละกระบวนการเกิดขึ้นที่ใดในจักรวาล?
• เหตุใดความอุดมสมบูรณ์ของธาตุจึงแสดงยอดความอุดมสมบูรณ์ของกระบวนการเอส (s-process) และกระบวนการอาร์ (r-process) ที่แตกต่างกัน?

Key concepts

• การจับนิวตรอน
• การสลายตัวแบบเบตา
• กระบวนการเอส (s-process)
• กระบวนการอาร์ (r-process)
• เลขมหัศจรรย์
• ดาวสาขาเชิงกำเนิดมหึมา (asymptotic giant branch)
• การรวมตัวของดาวนิวตรอน

Key theories

กระบวนการจับนิวตรอนแบบช้า

เมื่อการจับนิวตรอนเกิดขึ้นช้าเมื่อเทียบกับการสลายตัวแบบเบตาของนิวเคลียสที่ไม่เสถียร การสร้างจะดำเนินไปตามหุบเขาแห่งความเสถียรทีละขั้น กระบวนการเอส (s-process) นี้เกิดขึ้นในดาวสาขาเชิงกำเนิดมหึมา (asymptotic giant branch stars) ที่มีการเผาไหม้ฮีเลียมในเปลือก และผลิตธาตุประมาณครึ่งหนึ่งที่อยู่เหนือเหล็ก

กระบวนการจับนิวตรอนแบบเร็ว

ภายใต้ความหนาแน่นของนิวตรอนที่สูงมาก นิวเคลียสจะจับนิวตรอนจำนวนมากก่อนที่จะสลายตัว ผลักดันสสารไปทางด้านที่อุดมด้วยนิวตรอนของความเสถียรอย่างมาก กระบวนการอาร์ (r-process) นี้ ซึ่งเกิดขึ้นในการรวมตัวของดาวนิวตรอนและซูเปอร์โนวาที่หายาก สร้างธาตุที่หนักที่สุดรวมถึงธาตุแอกทิไนด์

Mechanisms

นิวเคลียสตั้งต้นจะจับนิวตรอนอิสระเพื่อกลายเป็นไอโซโทปที่หนักขึ้น หากไอโซโทปใหม่ไม่เสถียร มันจะสลายตัวแบบเบตาไปเป็นธาตุถัดไปในที่สุด เมื่อการจับนิวตรอนเกิดขึ้นช้า เส้นทางจะเกาะติดกับความเสถียร แต่เมื่อมีนิวตรอนจำนวนมาก นิวเคลียสจะจับนิวตรอนจำนวนมากก่อนที่จะสลายตัว ทำให้เกิดไอโซโทปที่อุดมด้วยนิวตรอนอย่างมาก ซึ่งจะสลายตัวกลับสู่ความเสถียรหลังจากกระแสของนิวตรอนสิ้นสุดลง ทิ้งยอดความอุดมสมบูรณ์ที่เป็นลักษณะเฉพาะไว้ที่เลขมหัศจรรย์ของนิวเคลียส

Clinical relevance

กระบวนการจับนิวตรอนเป็นสาเหตุของการกำเนิดของธาตุประมาณครึ่งหนึ่งที่หนักกว่าเหล็ก รวมถึงทองคำ แพลทินัม และยูเรเนียม การระบุแหล่งกำเนิดของธาตุเหล่านี้ ซึ่งได้รับการยืนยันสำหรับกระบวนการอาร์ (r-process) โดยการรวมตัวของดาวนิวตรอนในปี 2017 มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความเข้าใจวิวัฒนาการทางเคมีของกาแล็กซีและความอุดมสมบูรณ์ที่วัดได้ในดาวฤกษ์เก่า

History

กระบวนการเอส (s-process) และกระบวนการอาร์ (r-process) ถูกแยกแยะความแตกต่างในการทบทวน B2FH ปี 1957 และงานอิสระของ Cameron; แหล่งกำเนิดของกระบวนการเอส (s-process) ในดาวสาขาเชิงกำเนิดมหึมา (asymptotic giant branch stars) ได้รับการยืนยันผ่านการสร้างแบบจำลองในภายหลัง และแหล่งกำเนิดของกระบวนการอาร์ (r-process) มีความเชื่อมโยงอย่างแน่นแฟ้นกับการรวมตัวของดาวนิวตรอนหลังจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของการรวมตัวดังกล่าวในปี 2017

Debates

แหล่งกำเนิดทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์หลักของกระบวนการอาร์ (r-process)

ยังคงมีการศึกษาว่าการรวมตัวของดาวนิวตรอนเพียงอย่างเดียวผลิตธาตุในกระบวนการอาร์ (r-process) ส่วนใหญ่หรือไม่ หรือว่าซูเปอร์โนวาที่หายาก เช่น การระเบิดแบบแมกนีโตโรเทชัน (magnetorotational explosions) ก็มีส่วนสำคัญด้วยเช่นกัน รูปแบบความอุดมสมบูรณ์ในดาวฤกษ์เก่าและช่วงเวลาของการเสริมสร้างให้ข้อจำกัดที่แข่งขันกัน

Key figures

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

Seminal works

• b2fh1957
• cowan2021

Frequently asked questions

ทองคำมาจากไหน?

ทองคำและธาตุเสถียรที่หนักที่สุดอื่นๆ ถูกสร้างขึ้นโดยกระบวนการจับนิวตรอนแบบเร็ว ซึ่งต้องใช้ความหนาแน่นของนิวตรอนมหาศาล แหล่งกำเนิดหลักคือการรวมตัวของดาวนิวตรอนสองดวง ซึ่งเป็นความเชื่อมโยงที่ได้รับการสนับสนุนจากการสังเกตการณ์หลายผู้ส่งสารในปี 2017 ของเหตุการณ์ดังกล่าว

ความแตกต่างระหว่างกระบวนการเอส (s-process) และกระบวนการอาร์ (r-process) คืออะไร?

ทั้งสองกระบวนการสร้างธาตุหนักโดยการจับนิวตรอน แต่กระบวนการเอส (s-process) จับนิวตรอนอย่างช้าๆ ทำให้นิวเคลียสที่ไม่เสถียรสลายตัวระหว่างการจับนิวตรอน ในขณะที่กระบวนการอาร์ (r-process) จับนิวตรอนอย่างรวดเร็วจนกระทั่งนิวเคลียสกลายเป็นธาตุที่อุดมด้วยนิวตรอนอย่างมากก่อนที่จะสลายตัว ทำให้เกิดธาตุที่กระบวนการเอส (s-process) ไม่สามารถสร้างได้