Nucleosynthesis: Elements Heavier than Iron

核合成：比铁重的元素

超新星和中子星合并如何形成丰富宇宙的元素——最终为我们的星球家园带来黄金和其他贵金属

现代科学证实 宇宙炼金术 是我们周围看到的每一个较重元素的来源，从 铁 在我们的血液中 金子 在我们的珠宝中。当你佩戴金项链或欣赏铂金戒指时，你拥有的原子源自 非凡的天体物理事件——超新星爆炸和中子星合并——远早于太阳和行星的形成。本文将深入探讨这些元素的形成过程，展示它们如何塑造星系演化，以及最终地球如何继承了其丰富的金属元素。

1. 为什么铁标志着一个关键的边界

1.1 大爆炸元素

这 大爆炸 核合成主要产生了氢（约占质量的75%）、氦（约占25%）以及微量的锂和铍。没有形成大量更重的元素（除了极少量的锂/铍）。因此，形成更重的原子核可能是恒星内部或爆炸事件的后续过程。

1.2 聚变与“铁极限”

在恒星核心内部， 核聚变 对于比铁轻的元素（Fe，原子序数26），聚变是放热的。较轻原子核的聚变会释放能量（e.g……（氢变成氦，氦变成碳/氧等等），为主序星及其后期阶段的恒星提供能量。然而， 铁-56 铁的单核结合能是最高的，这意味着铁与其他原子核聚变需要净能量输入，而不是释放能量。因此，比铁更重的元素必须通过其他更“奇特”的途径形成——主要是 中子俘获 在极其富含中子的条件下，原子核可以在元素周期表中上升到铁的上方。

2. 中子俘获途径

2.1 s过程（慢中子俘获）

这 s-过程 涉及相对适中的中子通量，使原子核能够 捕获 一次一个中子，然后通常进行 β衰变 在另一个中子到达之前。这个过程沿着β稳定谷进行，形成了从铁到铋（最重的稳定元素）的许多同位素。主要存在于 渐近巨星支（AGB）恒星，s过程是锶（Sr）、钡（Ba）和铅（Pb）等元素的主要来源。在恒星内部，类似 十三C(α, n)16O 或 22Ne(α, n)二十五Mg 产生自由中子，这些中子被种子核缓慢捕获（因此称为“s”过程） [1]， [2]。

2.2 r过程（快速中子俘获）

相比之下， r-过程 经历 迅速的 自由中子以极高的通量爆发，使得多个中子俘获能够在比典型的β衰变更快的时间尺度上发生。这个过程产生 中子含量极高的同位素 这些元素随后衰变成更重元素的稳定形式，包括金、铂等贵金属，甚至更重的元素，直至铀。由于r过程需要极端条件——数十亿开尔文的温度，加上巨大的中子密度——它与 核心坍缩超新星 在某些特殊情况下，或者更明确地说， 中子星合并 [3]， [4]。

2.3 最重元素

只有 r 过程才能切实地攀升至最重的稳定且长寿命的放射性同位素（铋、钍、铀）。由于恒星在s过程环境中耗尽自由中子或时间，s过程的速率无法跟上形成金或铀等元素所需的反复中子俘获。因此，r过程核合成对于一半比铁重的元素来说是必不可少的，它连接着宇宙中最终进入行星系统的稀有金​​属的生成。

3.超新星核合成

3.1 核心坍塌机制

大质量恒星 （&≥8–10 M⊙) 最终发展出 铁心 在其生命即将结束之际。较轻元素直至铁的聚变在惰性铁核周围的同心壳层（硅、氧、氖、碳、氦、氢壳层）中进行。一旦该核增长到某个临界质量（接近或超过钱德拉塞卡极限~1.4 M⊙），电子简并压力崩溃，引发：

  1. 核心坍塌：核心在几毫秒内内爆，达到核密度。
  2. 中微子驱动的爆炸 （II 型或 Ib/c 型超新星）：如果冲击波从中微子或旋转/磁场中获得足够的能量，恒星的外层就会被剧烈地驱逐。

在这最后的时刻， 爆炸核合成 核心外的冲击加热层中也可能发生。硅和氧燃烧区会产生α元素（O、Ne、Mg、Si、S、Ca）以及铁峰核（Cr、Mn、Fe、Ni）。如果条件允许极高的中子通量，r过程的某些部分也可能发生，尽管标准超新星模型可能无法提供解释宇宙金和更重物质所需的全部r过程产额。 [5]， [6]。

3.2 铁峰和较重的同位素

超新星喷出物 元素在星系中分布至关重要，这些元素为下一轮恒星形成提供了能量。对超新星遗迹的观测证实了同位素的存在，例如 56Ni 衰变为 56然后 56Fe，在爆炸后的几周内驱动超新星光变曲线。一些部分r过程可能发生在中子星上方由中微子驱动的风中，尽管典型的模型产生的r过程较弱。尽管如此，这些超新星“工厂”仍然是铁区域等多种元素的普遍供应源。 [7]。

3.3 罕见或奇异的超新星通道

某些不寻常的超新星通道——例如 磁旋 超新星或“坍缩星”（形成带有吸积盘的黑洞的超大质量恒星）——如果强磁场或喷流状外流产生中子密度，则可能驱动更强的r过程条件。尽管这些事件是假设性的，但它们作为重要r过程源的观测证据仍在研究中。它们可能会补充或被中子星并合所掩盖，从而形成大部分最重元素。

4. 中子星合并：r过程的动力源

4.1 合并动力学和喷出物

中子星合并 当两颗中子星在双星旋进轨道（由于引力波辐射）中发生碰撞时，就会发生这种现象。在最后几秒内：

  • 潮汐破坏：外层甩出富含中子物质的“潮汐尾”。
  • 动力喷出物：富含中子的块状物以远超光速的速度旋转而去。
  • 磁盘流出：合并残余物周围的吸积盘也可能驱动中微子/风外流。

这些流出物沐浴在过剩的自由中子中，从而实现快速捕获，从而产生广泛分布的重核，包括铂族金属及其他重核。

4.2 千新星的观测和发现

引力波探测 格W170817 2017 年的事件具有里程碑意义：合并的中子星产生了 基洛诺瓦 其红光/红外光曲线与理论预测相符 r-过程 放射性衰变。观测者测量了与镧系元素和其他重元素一致的近红外光谱。这一事件明确表明 中子星合并 产生大量的r过程材料——相当于几个地球质量的金或铂 [8]， [9]。

4.3 频率和贡献

虽然 中子星合并 虽然并合事件发生的频率低于超新星，但每次事件产生的重元素产量却非常巨大。纵观整个星系历史，相对较少的并合事件就能产生大部分r过程元素，这解释了太阳系中金、铕等元素的丰度。正在进行的引力波探测将继续完善此类并合事件发生的频率及其产生重元素的效率。

5. AGB恒星中的s过程

5.1 氦壳层和中子的产生

渐近巨星分支（AGB）恒星 （1-8个月）⊙) 的最终演化阶段，其壳层围绕碳氧核心，燃烧氦和氢。氦壳层中的热脉冲通过以下方式产生中等强度的中子通量：

13C(α, n)16O 和 22Ne(α, n)25Mg

这些自由中子缓慢地被俘获（“s过程”），逐步形成原子核，从铁种子到铋或铅。β衰变使核物种能够有序地攀升至同位素图。 [10]。

5.2 s-过程丰度特征

AGB 风最终将这些新形成的 s 过程元素排入 ISM，形成“s-过程” 后代恒星的丰度模式。这通常包括以下元素 钡（Ba）， 锶（Sr）， 镧（La）， 和 铅（Pb）。因此，虽然 s 过程不会产生大量的金或极重的 r 过程组，但对于连接铁到铅范围的大量中重核来说，它是必不可少的。

5.3 观察证据

观察 AGB星 （像碳星）揭示了增强的 s 过程线（e.g.、Ba II、Sr II）的光谱特征。此外，如果银河系晕中的贫金属恒星受到双星中AGB伴星的污染，则可能表现出s过程富集。这些模式证实了s过程对宇宙化学富集的重要性，这与r过程模式截然不同。

6. 星际富集与星系演化

6.1 混合与恒星形成

所有这些核合成产物——无论是来自超新星的α元素、来自渐近巨星风的s过程金属，还是来自中子星合并的r过程金属——混合 在星际介质中。随着时间的推移，新恒星的形成会吸收这些金属，导致“金属丰度”逐渐增加。银盘中较年轻的恒星通常比较老的晕恒星具有更高的铁和重元素含量，这反映了持续的富集作用。

6.2 古代贫金属恒星

在银河系晕中，一些极度缺乏金属的恒星是由仅由一两次先前事件富集的气体形成的。如果该事件是中子星合并或特殊的超新星爆发，这些恒星可能会表现出异常或强烈的r过程模式。研究这些恒星有助于阐明银河系早期的化学演化以及此类激变过程发生的时间。

6.3 重元素的命运

在宇宙时间尺度上，含有这些金属的尘埃颗粒可能在外流或超新星喷出物中形成，并漂移到分子云中。最终，它们聚集在围绕新恒星的原行星盘中。这一循环最终为地球提供了更重的元素库，从行星核心的铁到微量的 金子 在它的地壳里。

7. 从宇宙大灾变到尘世黄金

7.1 结婚戒指中黄金的来源

当你拿着一块 金子 珠宝，其中的黄金原子很可能在很久以前就结晶于地球上的地质沉积物中。但在更宏大的宇宙故事中：

  1. R 流程创建：金的原子核是在中子星合并或可能是罕见的超新星爆发中形成的，中子涌入金核，使其超越铁。
  2. 喷射和扩散：这一事件将新产生的金原子散射到原银河系或更早的亚星系系统的星际气体中。
  3. 太阳系的形成：数十亿年后，随着太阳星云坍缩形成太阳和行星，金原子成为尘埃和金属部分的一部分，最终进入地球的地幔和地壳。
  4. 地质集中：在地质时间尺度上，热液或岩浆过程将金浓缩到矿脉或砂矿中。
  5. 人体提取：人类几千年来发现并开采这些矿藏，将黄金制成货币、艺术品和珠宝。

因此，那枚金戒指将你与宇宙起源紧密联系在一起 宇宙中一些最活跃的事件——跨越银河系数十亿年和光年的星尘遗产 [8]， [9]， [10]。

7.2 稀有性和价值

黄金的宇宙稀缺性凸显了它在历史上备受珍视的原因：它的形成需要极其罕见的宇宙事件，因此只有极少量的黄金抵达地壳。这种稀缺性，加上其诱人的化学和物理特性（延展性、耐腐蚀性、光泽），使黄金成为不同文明中财富和声望的普遍象征。

8. 正在进行的研究和未来展望

8.1 多信使天文学

中子星合并 产生引力波、电磁辐射，甚至可能产生中微子。每次新的探测（例如 格W170817 （2017年）改进了我们对r过程产量和事件发生率的估计。随着LIGO、Virgo、KAGRA以及未来探测器灵敏度的提升，更频繁地探测到并合事件或黑洞-中子星碰撞事件，将加深我们对重元素产生的理解。

8.2 实验室天体物理学

精确测定奇异的、富含中子同位素的反应速率至关重要。 稀有同位素加速器 （e.g（例如：美国的FRIB、日本的RIKEN和德国的FAIR）复制了参与r过程的短寿命同位素，测量了截面和衰变寿命。这些数据为先进的核合成程序提供了数据，以更好地模拟产量预测。

8.3 下一代调查

广域光谱巡天（Gaia-ESO、WEAVE、4MOST、SDSS-V、DESI）测量了数百万颗恒星的元素丰度。其中一些将是金属贫乏的晕星，具有独特的r过程或s过程增强，从而阐明有多少中子星合并或高级超新星通道塑造了银河系的重元素分布。例如“银河考古学”延伸到矮卫星星系，每个星系都有过去核合成事件的化学特征。

9.总结和结论

从宇宙化学的角度来看， 比铁重的元素 提出一个只有通过 中子俘获 在极端环境中。 AGB星 在缓慢的时间尺度上积累了许多中到重的原子核，但真正重的 r 过程元素（如金、铂、铕）主要出现在 快中子俘获 情节，通常：

  • 核心坍缩超新星 在某些专门或部分能力上。
  • 中子星合并，现在被认为是重金属的主要来源。

这些过程 形状 银河系的化学特征，为行星的形成和生命所需的化学反应提供能量。地壳中的贵金属，包括 金子 闪耀在我们手指上的光芒，代表着爆炸性灾难的直接宇宙遗产，这些灾难曾经在地球形成之前的数十亿年里，在宇宙的某个遥远角落剧烈地重新排列物质。

随着多信使天文学的成熟，以及更多中子星并合的引力波探测和先进的超新星建模，我们对元素周期表各个部分的形成过程有了越来越清晰的认识。这些知识不仅丰富了天体物理学，也增强了我们与宇宙事件的联系感——提醒我们，持有黄金或其他稀有物品这一简单的行为，其实与宇宙中最壮丽的爆炸有着切实的联系。

参考文献及延伸阅读

  1. 伯比奇，EM，伯比奇，GR，福勒，WA， & Hoyle，F.（1957）。 “恒星元素的合成。” 现代物理学评论， 二十九，547–650。
  2. 卡梅伦，AGW（1957）。 “恒星中的核反应和核生成。” 太平洋天文学会出版物， 69，201–222。
  3. Woosley，SE，Heger，A.， & Weaver，TA（2002）。 “大质量恒星的演化和爆炸。” 现代物理学评论， 74，1015–1071。
  4. Thielemann，F.-K.，等人。 （2017）。 “r 过程核合成：将稀有同位素束设施与观测、天体物理模型和宇宙学联系起来。” 核与粒子科学年度评论， 67，253–274。
  5. Lattimer，JM（2012）。 “中子星合并和核合成。” 核与粒子科学年度评论， 62，485–515。
  6. Metzger，BD（2017）。 “千新星。” 相对论中的生活评论， 20，3.
  7. Sneden，C.，Cowan，JJ， & Gallino，R.（2008）。 “早期星系中的中子俘获元素。” 天文学和天体物理学年度评论， 46，241–288。
  8. Abbott, BP 等人（2017 年）。 “GW170817：对双中子星引力波的观测。” 物理评论快报， 119，161101。
  9. Drout, MR 等人（2017 年）。 “中子星合并的光变曲线 GW170817/SSS17a：对 r 过程核合成的影响。” 科学， 358，1570–1574年。
  10. Busso，M.，Gallino，R.， & Wasserburg，GJ（1999）。 “渐近巨分支恒星中的核合成：与星系富集和太阳系形成的相关性。” 天文学和天体物理学年度评论， 三十七，239–309。

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