[论文解读] 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 13

一句话总结

本综述综合了当前对快速中子俘获过程（r过程）的理解，解释了从铁到铀的重元素如何在中子星并合与超新星爆发等极端天体物理环境中合成。研究指出，中子星并合——由GW170817事件证实——现已成为最有力的候选场所，而恒星丰度模式与改进的原子数据进一步细化了r过程场所的约束条件以及中子滴线附近的核性质。

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)

研究动机与目标

• 阐明通过快速中子俘获过程（r过程）产生约一半重元素的天体物理场所。
• 解决中子滴线附近核性质的不确定性，该区域实验数据有限，理论模型至关重要。
• 利用观测与理论约束，评估超新星、中子星并合与超新星爆发等竞争性r过程环境。
• 整合核物理、原子数据与天文观测的进展，以改进r过程核合成模型。
• 利用古老晕星中的丰度模式，确定银河系中最早r过程事件的性质与频率。

提出的方法

• 综合高分辨率光谱观测中古老晕星的观测数据，以绘制r过程丰度模式。
• 分析GW170817的引力波与电磁波数据，以约束中子星并合作为r过程场所的作用。
• 应用理论核模型，预测中子滴线附近r过程路径所在区域的富中子核素性质。
• 将预测的r过程丰度产出与观测到的恒星丰度进行比较，以检验不同天体物理环境的合理性。
• 整合改进的原子数据，以提高恒星丰度测定与r过程丰度模式识别的准确性。
• 通过核合成建模与观测一致性检验，评估多种天体物理情景（包括恒星坍缩喷流、吸积盘外流及罕见超新星）的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些天体物理环境与古老晕星中观测到的r过程丰度模式最为一致？
• RQ2 来自GW170817的约束如何支持或挑战中子星并合作为主导r过程场所的角色？
• RQ3 中子滴线附近核性质的理论预测在多大程度上影响r过程模型的可靠性？
• RQ4 改进的原子数据在多大程度上提升了贫金属星中r过程丰度测量的准确性？
• RQ5 超新星爆发或磁旋转坍缩等罕见恒星事件对银河系r过程核素库存的相对贡献如何？

主要发现

• 中子星并合，经由GW170817事件证实，现被视为r过程最有力的场所，其观测到的千新星辐射与r过程核合成预测高度一致。
• 古老晕星中的恒星丰度模式为早期r过程事件的频率与条件提供了强有力约束，表明存在一种主导的、短时标产生机制。
• 中子滴线附近的核性质仍是主要不确定性来源，当前模型严重依赖理论外推，因实验数据有限。
• 高分辨率光谱结合改进的原子数据，已使贫金属星中r过程元素丰度的测定日益精确。
• 超新星爆发中极向喷流与具有强磁场的快速旋转大质量恒星吸积盘外流等替代环境仍具可行性，但相比中子星并合，其支持度较低。
• r过程路径在核素图上紧邻中子滴线，使其对核性质极为敏感，而这些核性质目前仍缺乏充分的实验认知。