近日，中国科学院近代物理研究所核物理中心金仕纶研究员与合作者提出了新的超铁元素核合成机制。相关成果于8月20日发表在《天体物理学报》(The Astrophysical Journal)上。

宇宙中比铁更重的元素被称为超铁元素，其起源问题是二十一世纪物理未解之谜。宇宙中恒星内部的熔合燃烧可以产生最重到铁附近的元素，而超铁元素则只能来自于更高温度、更高密度环境下的爆发性天体环境。快中子俘获过程(r-过程)被认为产生了约一半的超铁元素，该过程是当前核天体物理领域亟待研究的前沿热点。

2017年，科学家通过引力波及随后的电磁信号确定了双中子星合并事件(GW081708)发生了r-过程，这是目前唯一被实验证实的r-过程发生地点。然而一系列研究表明，目前的理论并不能全面地解释观测现象，如产生的稀土元素的含量明显少于宇宙中大量贫金属星的观测值。因此，广泛探索其他r-过程地点显得尤为重要。目前，理论学家认为r-过程还可能发生于坍缩星和磁转动超新星爆发。

在本研究中，研究人员首次提出共有包层喷射流超新星爆发(Common Envelop Jet Supernovae，CEJSNe)发生r-过程的核合成机制及特征。一个双星系统在生命的末期会分别成为中子星和红超巨星。红超巨星吞噬了中子星后，其核芯物质开始被中子星吸积，随着吸积不断加剧，最终喷射流向两极发射。这一高温高密的喷射流迅速冷却，为r-过程提供了适宜的发生环境。

研究人员发现CEJSNe是目前最强的超镧元素合成地点。在提取了被标定为r-过程增强星的天文观测量及相关理论模型值后，研究发现 CEJSNe与其它理论模型呈现出很好的反关联关系。这表明，丰富的稀土元素和超镧元素不能同时出现在同一次r-过程核合成中。研究同时指出，如果没有CEJSNe，r-过程增强星的观测值将很难被理论模型解释，因此该研究进一步提升了r-过程核合成理论的完备性。

超铁元素核合成新场景和新机制的提出，为进一步揭示r-过程核合成特征提供了基础。未来，科学家有望利用强流重离子加速器（HIAF）等装置产生r-过程路径的原子核，开展关键物理量的相关研究，从而更深入地理解超铁元素起源问题的本质。

本研究由金仕纶研究员主导完成，以色列理工学院合作者于前期提出了喷射流模型。本工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院“西部之光”和中国科学院稳定支持青年团队项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad5f8e 

图：r-过程增强星与共有包层喷射流超新星爆发、磁转动超新星爆发、坍缩星和双中子星合并的稀土元素含量VS 超镧元素产生强度（图/金仕纶）

图： 共有包层喷射流超新星爆发艺术图 （图源/近代物理所）

（放射性束物理室  供稿）