恒星演化与死亡

快中子俘获过程

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结婚戒指里的金子从何而来?反应堆里的铀、催化转化器里的铂呢?这些最重的元素,无法靠普通聚变、甚至无法靠缓慢而耐心的慢中子俘获过程来制造。它们需要一个被中子淹没得如此彻底、又如此剧烈的地方,让原子核能在一瞬之间吞下许多颗中子。那个地方、那个过程,就是快中子俘获过程——快速中子俘获——是大自然最重原子的熔炉。

这个想法与慢过程恰成对照。在快中子俘获过程中,自由中子稠密到使一个原子核在不到一秒里一颗接一颗地把它们抓住——快到根本来不及在两次俘获之间发生放射性衰变。于是原子核堆上了一大堆中子,变得严重超载而不稳定,唯有等中子洪流退去之后,它才得以放松,一步步衰变回一个稳定的重元素。这条快速路径能抵达比慢过程所能达到的远为更重、更富中子的原子,包括金、铂和铀。它要求几乎无法想象的条件:极其巨大的中子密度,以及数十亿度的温度。

这发生在哪里?数十年来,首要的场所一直是核心坍缩超新星,这类爆炸很可能确有贡献。但在2017年,天文学家目睹了两颗中子星相撞合并,并看到了新造出的快中子俘获过程元素那无可错认的辉光——一场千新星——证实了中子星并合是快中子俘获过程的一个主要、或许是主导的熔炉。所以你戒指里的金,很可能根本不是在一颗普通恒星里造出来的,而是在几十亿年前两个死亡恒星核心的碰撞中造出来的。各种来源之间的确切比重,至今仍在激烈争论。

2017年,中子星并合事件GW170817先以引力波被探测到,随后呈现为一场千新星,闪耀着新锻造出的重元素之光。天文学家估计,仅这一次事件就造出了相当于若干个地球质量的金和铂——这是两颗死亡恒星相撞的、名副其实的炼金术。

快中子俘获过程在中子星并合与超新星之中,于数秒间锻造出最重的元素。

快中子俘获过程确切的主导场所至今仍有争议——中子星并合现已确认是贡献者,但某些罕见的超新星或许也有份。诚实地说,我们仍在梳理最重的元素究竟在何处被造出。

又称
rapid neutron capture processr过程快过程