[論文レビュー] Making the Heaviest Elements in the Universe: A Review of the Rapid Neutron Capture Process

J. J. Cowan, J. E. Lawler+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用数 13

ひとこと要約

このレビューは、急速中性子捕獲過程（r過程）の現在の理解を統合し、中性子星合体やハイパーノバなどの極端な宇宙環境で鉄からウランに至る重元素がどのように生成されるかを説明する。中性子星合体はGW170817によって確認されており、現在、最も有望な候補とされている。星の元素組成パターンと向上した原子データにより、中性子滴線付近の核物理的性質やr過程発生場の制約が精緻化されている。

ABSTRACT

The production of about half of the heavy elements found in nature is assigned to a specific astrophysical nucleosynthesis process: the rapid neutron capture process (r-process). Although this idea has been postulated more than six decades ago, the full understanding faces two types of uncertainties/open questions: (a) The nucleosynthesis path in the nuclear chart runs close to the neutron-drip line, where presently only limited experimental information is available, and one has to rely strongly on theoretical predictions for nuclear properties. (b) While for many years the occurrence of the r-process has been associated with supernovae, more recent studies have cast substantial doubts on this environment. Alternative scenarios include the mergers of neutron stars, neutron-star black hole mergers, but possibly also rare classes of supernovae as well as hypernovae/collapsars with polar jet ejecta and also accretion disk outflows related to the collapse of fast rotating massive stars with high magnetic fields. Stellar r-process abundance observations, have provided insights into, and constraints on the frequency of and conditions in the responsible stellar production sites. One of them, neutron star mergers, was just identified and related to the Gravitational Wave event GW170817. High resolution observations, increasingly more precise due to improved experimental atomic data, have been particularly important in defining the heavy element abundance patterns of the old halo stars, and thus determining the extent, and nature, of the earliest nucleosynthesis in our Galaxy. Combining new results and important breakthroughs in the related nuclear, atomic and astronomical fields of science, this review attempts to provide an answer to the question How Were the Elements from Iron to Uranium Made? (Abridged)

研究の動機と目的

• 約半数の重元素が急速中性子捕獲過程（r過程）によって生成される背後にある天体物理学的発生場を明確化すること。
• 実験的データが限られている中性子滴線近傍の核物理的性質に関する不確実性を扱うこと。
• 超新星、中性子星合体、ハイパーノバなどの代替的r過程環境を、観測的および理論的制約を用いて評価すること。
• 核物理学、原子データ、天文観測の進展を統合し、r過程核生成モデルを精緻化すること。
• 銀河における最初のr過程イベントの性質と頻度を、古いハロー星の元素組成パターンを用いて特定すること。

提案手法

• 高分解能分光法による古いハロー星の観測データを統合し、r過程元素組成パターンをマッピングすること。
• GW170817の重力波および電磁気的データを分析し、中性子星合体がr過程発生場として果たす役割を制約すること。
• 中性子過剰核の性質を予測する理論的核モデルを適用し、r過程の進行経路が存在する中性子滴線付近の核物理的性質を評価すること。
• 予測されたr過程元素生成量と観測された星の元素組成を比較し、異なる天体物理学的環境の妥当性を検証すること。
• 改善された原子データを統合することで、金属欠乏星におけるr過程元素組成の決定精度を向上させること。
• コラプサー、降着円盤の噴出物、希少な超新星などの複数の天体物理学的シナリオを、核生成モデルと観測的一致性のチェックを通じて評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの天体物理学的環境が、古いハロー星における観測されたr過程元素組成パターンと最も整合性を持つのか？
• RQ2 GW170817からの制約は、中性子星合体が主なr過程発生場としての役割を支持するか、あるいは挑戦するか？
• RQ3 中性子滴線付近の核物理的性質に対する理論的予測が、r過程モデルの信頼性にどの程度影響を与えるのか？
• RQ4 向上した原子データは、金属欠乏星におけるr過程元素組成測定の精度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ハイパーノバや磁気的回転不安定性を示す急速回転星の降着円盤噴出物といった、希少な星のイベントが銀河のr過程インベントリに果たす相対的寄与はどの程度か？

主な発見

• GW170817の観測によって確認された中性子星合体は、現在、r過程の最も説得力のある発生場と見なされており、観測されたキロノバ放射がr過程核生成の予測と一致している。
• 古いハロー星の星の元素組成パターンは、初期のr過程イベントの頻度と条件を強く制約しており、短時間にわたる主要な生成メカニズムであることが示唆されている。
• 中性子滴線付近の核物理的性質は依然として大きな不確実性を抱えており、実験的データが限られているため、現在のモデルは理論的外挿に大きく依存している。
• 高分解能分光法に改善された原子データを組み合わせることで、金属欠乏星におけるr過程元素の組成決定がますます高精度で可能になった。
• ハイパーノバの極方向ジェット噴出物や、強い磁場を有する高速回転星の降着円盤噴出物といった代替環境は、依然として妥当ではあるが、中性子星合体に比べてやや不適切とされる。
• r過程の進行経路は中性子滴線に非常に近接しており、実験的にまだ十分に把握されていない核物理的性質に強く敏感である。