近日，北京航空航天大学物理学院梶野敏贵教授团队与其合作者在《The Astrophysical Journal Letters》上在线发表了题为“Possibility of Secondary i- and s-processes Following r-process in the Collapsar Jet”的论文。物理学院博士生何震宇为第一作者，梶野敏贵教授为通讯作者。该项工作同时被美国天文学会《AAS Nova》重点推荐（https://aasnova.org/2024/05/31/monthly-roundup-where-elements-are-made/）。

重元素的起源问题一直是核物理和天体物理研究的重要前沿领域。目前普遍认为比铁重的原子核主要通过快速中子俘获过程（r过程）和慢速中子俘获过程（s过程）产生，其中s过程主要发生在渐近支巨星（AGB星）和大质量恒星中。r过程发生的天体物理环境尚未明确，除了核心坍缩超新星（Core Collapse Supernova）和双中子星并合（Neutron Star Merger）之外，坍缩星（Collapsar）也被认为是可能发生r过程的天体物理场所，因为它在银河系早期星际物质的重元素富集过程中起到了重要的作用。此外，核天体物理学家还提出了中间中子俘获过程（i过程），用以解释观测到的碳超丰贫金属r/s星（CEMP-r/s star）的表面元素丰度。由于这三种中子俘获过程的特征温度和中子数密度显著不同，因此通常认为它们发生在不同的天体物理环境中。

该工作通过系统研究坍缩星喷流中的核合成，首次提出在坍缩星喷流的演化后期，初级r过程合成的重原子核可以继续俘获裂变中子，在合适的温度和中子数密度下，i过程和s过程可以作为次级过程和r过程在同一天体环境中发生。该研究还提出了一种理论方法，用于定量计算r过程、i过程和s过程分别对重元素最终丰度的贡献。相关计算表明，在所使用的坍缩星模型中，Eu-151和Nd-148等稀土元素的稳定同位素主要是通过次级i过程产生的（图1）。这一发现将促使人们改进对太阳系r丰度的传统理解。

图1. 坍缩星中次级i过程产生的核素丰度百分比（A为原子核质量数）。许多核素的丰度因坍缩星中的次级i过程而大大提高。a数值表示坍缩星喷流后期的演化速率。

该研究提出，贫金属星中稀土元素（140 < A < 170）丰度显著的奇偶效应可能源于坍缩星中的次级s过程和i过程，这为天文观测中发现坍缩星的存在提供了重要线索。研究还将理论计算得到的元素丰度与天文观测结果进行了比较，结果发现，使用坍缩星合成的元素丰度可以更好地解释CEMP-r/s星CS31062-050在60 ≤ Z ≤ 70范围内的稀土元素丰度，这归因于坍缩星核合成后期i过程对这些稀土元素丰度的显著贡献。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委以及国家留学基金委等大力支持。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad444c