[论文解读] The synthesis of the light Mo and Ru isotopes: how now, no need for an exotic solution ?

V. Costa, M. Rayet+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2000

Nuclear physics research studies参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文提出，通过在NACRE报告的不确定度范围内，将$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率提高10至50倍，可解决Type II超新星中长期存在的轻量Mo和Ru p-核素产量不足的问题。此调整增强了氦燃烧阶段的s-过程种子核素产量，从而改善了$^{92}$Mo、$^{94}$Mo、$^{96}$Ru和$^{98}$Ru的产出，同时缓解了相对于p-核素的氧过量问题，并与SN1987A中观测到的钡元素过量现象更加一致。

ABSTRACT

The most detailed calculations of the p-process call for its development in the O/Ne layers of Type II supernovae. In spite of their overall success in reproducing the solar system content of p-nuclides, they suggest a significant underproduction of the light Mo and Ru isotopes. On grounds of a model for the explosion of a 25 solar mass star with solar metallicity, we demonstrate that this failure might just be related to the uncertainties left in the rate of the 22Ne(alpha,n)25Mg neutron producing reaction. The latter indeed have a direct impact on the distribution of the s-process seeds for the p-process.

研究动机与目标

• 解决标准Type II超新星p-过程模型中长期存在的轻量Mo和Ru p-同位素产量不足问题。
• 探究此前被认为可忽略的$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率不确定性是否可解释该差异。
• 检验更高的$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率是否能同时解决多个p-过程异常问题，包括氧的过量生成以及$^{113}$In和$^{115}$Sn产量偏低的问题。
• 评估此非奇异解决方案是否能解释SN1987A中观测到的钡元素过量现象。
• 证明该解决方案位于NACRE所列$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率的不确定度范围内，无需引入奇异的天体物理环境。

提出的方法

• 利用一颗25 $M_\odot$、太阳金属丰度的恒星模型，从核心氦燃烧阶段演化至超新星爆发，进行核合成计算。
• 在温度范围$2-3 \times 10^8$ K内，使用五种不同的$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率——从NACRE采纳值到其上限——进行计算。
• 针对每种速率，使用更新的NACRE反应速率和Hauser-Feshbach代码MOST，计算氦燃烧结束时的s-过程种子核素丰度。
• 利用这些变化的种子分布，通过改编自RAHPN的p-过程网络和数值求解器，计算p-过程产出。
• 计算关键p-核素的归一化过量因子$\left<F_i\right>/F_0$，以评估产出改善程度。
• 评估对氧与p-核素产出比的影响，以检验氧过量问题是否得以缓解。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NACRE不确定度范围内提高$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率，是否能解决p-过程模型中轻量Mo和Ru同位素产量不足的问题？
• RQ2 更高的$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率是否能同时改善此前产量不足的$^{78}$Kr和$^{84}$Sr的产出？
• RQ3 将$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率提高后，对SNII模型中氧相对于p-核素的过量生成程度降低了多少？
• RQ4 增强的s-过程种子核素产量是否能解释SN1987A中观测到的钡元素过量现象？
• RQ5 p-核素产出的改善是由于p-过程效率提高，还是由于初始种子核素丰度更高所致？

主要发现

• 将$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率提高10至50倍后，$^{92}$Mo、$^{94}$Mo、$^{96}$Ru和$^{98}$Ru的预测产出与太阳系丰度更加一致。
• 此前产量不足的$^{78}$Kr和$^{84}$Sr同位素，现在被预测产出过量约10至100倍，解决了此前未被注意到的产量缺陷。
• 当$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率提高至R3–R4时，$^{113}$In和$^{115}$Sn的归一化过量因子$\left<F_i\right>/F_0$显著改善，趋近于1。
• 当$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率从NACRE采纳值提高到其上限时，整体p-核素产出$F_0$增加了约15倍。
• 当$^{22}$Ne($\alpha$,n)反应速率提高至R3–R4时，氧与p-核素的产出比从4.4降至接近1，成功缓解了氧过量问题。
• SNII喷射物中预测的钡元素过量丰度显著增加，足以与SN1987A中观测到的钡元素过量丰度相匹配，支持该模型与观测的一致性。