s-过程和r-过程核合成

比铁重的元素不能通过聚变产生；相反，它们是通过原子核捕获自由中子而形成的，这个过程在演化中的恒星中进行缓慢，而在中子星合并等灾变事件中则进行迅速。

Definition

s-过程和r-过程分别是慢速和快速中子捕获核合成途径，它们通过在低和高中子密度下连续的中子捕获和β衰变来构建比铁重的元素。

Scope

本主题涵盖了两种主要的中子捕获过程：慢速s-过程，其中中子捕获相对于β衰变而言速度较慢，发生于渐近巨星支和巨星中；以及快速r-过程，其中中子捕获在中子星合并和某些超新星等富含中子的环境中远远超过β衰变。同时，本主题也涵盖了这两种过程留下的丰度峰。

Core questions

• 比铁重的元素是如何产生的？
• 慢速中子捕获过程与快速中子捕获过程有何区别？
• 宇宙中每个过程发生在哪里？
• 为什么元素丰度会显示出独特的s-过程和r-过程峰？

Key concepts

• 中子捕获
• β衰变
• s-过程
• r-过程
• 幻数
• 渐近巨星支
• 中子星合并

Key theories

慢速中子捕获过程

当中子捕获相对于不稳定原子核的β衰变而言速度较慢时，元素的形成会一步一步地沿着稳定性谷进行；这种s-过程发生在氦壳燃烧的渐近巨星支恒星中，产生大约一半比铁重的元素。

快速中子捕获过程

在极高中子密度下，原子核在衰变前会捕获许多中子，将物质推向远离稳定性线的富中子一侧；这种r-过程发生在中子星合并和罕见的超新星中，产生包括锕系元素在内的最重元素。

Mechanisms

一个种子核捕获一个自由中子，变成一个更重的同位素；如果新的同位素不稳定，它最终会通过β衰变变成下一个元素。当捕获速度缓慢时，路径紧随稳定性线，但当中子丰富时，原子核在衰变前会捕获许多中子，达到非常富含中子的同位素，这些同位素在中子通量结束后衰变回稳定性，在核幻数处留下特征性的丰度峰。

Clinical relevance

中子捕获过程解释了大约一半比铁重的元素的起源，包括金、铂和铀；确定它们的发生地点（r-过程已通过2017年中子星合并得到证实）对于理解星系化学演化和在古老恒星中测得的丰度至关重要。

History

s-过程和r-过程在1957年的B2FH综述和卡梅伦的独立工作中得到了区分；s-过程在渐近巨星支恒星中的发生地点通过后来的模型建立，而r-过程的发生地点在2017年引力波和电磁波探测到中子星合并后，与中子星合并紧密联系起来。

Debates

r-过程的主要天体物理发生地点

中子星合并是否单独产生了大部分r-过程元素，或者磁转动爆炸等罕见超新星是否也做出了显著贡献，仍在研究中；古老恒星中的丰度模式和富集时间提供了相互竞争的约束。

Key figures

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

Seminal works

• b2fh1957
• cowan2021

Frequently asked questions

金子从何而来？

金和其他最重的稳定元素是由快速中子捕获过程产生的，这需要巨大的中子密度；主要的发生地点是两颗中子星的合并，2017年对这种事件的多信使观测支持了这一联系。

s-过程和r-过程有什么区别？

两者都通过中子捕获来构建重元素，但s-过程缓慢捕获中子，因此不稳定的原子核在两次捕获之间会衰变，而r-过程捕获中子的速度如此之快，以至于原子核在衰变前变得非常富含中子，从而产生s-过程无法制造的元素。