R-과정

3. 핵물리학

r-과정은 매우 높은 중성자 밀도와 온도 조건에서 발생하며, 중성자 포획이 베타 붕괴보다 훨씬 빠르게 일어난다.^[1] 중성자 포획은 중성자 드립 라인 근처까지 진행되며, 매우 불안정한 중성자 과잉 핵이 생성된다.^[1] 중성자 닫힌 껍질(마법수)에 도달하면 중성자 포획이 일시적으로 중단되고, 베타 붕괴를 통해 안정된 핵으로 붕괴한다. 이 지점을 대기점(waiting point)이라고 한다.^[1][17]

r-과정은 핵분열 장벽이 낮아지는 핵자 수 270 부근에서 종료되며,^[19] 이후 불안정한 핵들은 베타 붕괴를 통해 안정한 핵종으로 붕괴한다.^[20] r-과정은 s-과정보다 약 10 amu 낮은 질량 영역에서 풍부도 피크를 형성한다.^[21]

열핵 무기 실험에서도 r-과정이 발생하며, 이를 통해 아인슈타이늄과 페르뮴과 같은 새로운 원소가 발견되었다.^[23]

4. 천체물리학적 환경

빅뱅과 별에서 헬륨이 생성되는 연구 이후, 수소와 헬륨보다 무거운 원소를 생성하는 과정이 존재할 것으로 추정되었다. 초기에는 원소들이 매우 높은 온도에서 생성된다고 가정했지만, 프레드 호일은 붕괴하는 별의 핵에서 중성자를 급격하게 포획하여 무거운 원소들이 핵합성될 수 있다고 제안했다.^[6]

빠른 중성자 포획을 제공하는 물리적 환경의 필요성은 1956년 한스 수에스와 해럴드 유레이의 무거운 원소 동위원소 풍부도 표에서 나타났다. 이 표는 중성자의 마법수를 포함하는 동위원소가 풍부하고, 마법수를 포함하는 안정 핵보다 가벼운 풍부도 피크를 나타내어, 빠른 중성자 포획이 베타 붕괴보다 빠르게 발생했음을 시사했다.^[7] 이러한 과정을 통해 중성자가 풍부한 동위원소의 빠른 중성자 포획은 ''r''-과정으로 알려지게 되었다.^[1] 1957년 B²FH 검토 논문에서 ''r''-과정의 이름을 명명하고 물리학을 개략적으로 설명했으며,^[8] 알래스터 G. W. 캐머런도 같은 해에 ''r''-과정에 대한 연구를 발표했다.^[9]

캘텍의 필립 A. 시거, 윌리엄 A. 파울러, 도널드 D. 클레이턴은 시간 종속 계산을 통해 ''r''-과정 풍부도 분포를 특징지을 수 있음을 발견했다.^[10] 이후 ''r''-과정에 대한 처리는 이러한 시간적 특징을 강화했으며, ''s''-과정과 ''r''-과정 사이의 정량적인 할당을 통해 ''r''-과정 동위원소의 풍부도 곡선을 확립했다.^[12]

''r''-과정은 1차 핵합성 과정으로, 순수한 수소와 헬륨으로 구성된 별에서도 발생할 수 있다. 이는 기존의 철을 기반으로 하는 2차 과정인 B²FH 지정과는 대조적이다. 1차 별 핵합성은 은하에서 2차 핵합성보다 먼저 시작된다. 중성자별 내부의 높은 중성자 밀도는 충돌로 인해 중성자별 일부가 방출되어 빠르게 팽창하는 경우 ''r''-과정 핵으로 빠르게 조립될 수 있다. 이 과정은 은하 시대 초기에 시작될 수 있으며, ''s''-과정 핵합성보다 빠를 수 있다.

1981년 제임스 W. 트루란은 은하의 초기 ''r''-과정 풍부에 대한 관측 증거를 처음으로 제시했다.^[13] 초기 금속이 부족한 별의 무거운 원소 풍부도 패턴이 태양 ''r''-과정 곡선의 모양과 일치하며, ''s''-과정 성분이 누락된 것처럼 보인다는 것을 보여주었다. 이는 ''s''-과정이 시작되려면 약 1억 년의 은하 역사가 필요한 반면, ''r''-과정은 2백만 년 후에도 시작될 수 있기 때문이다.

''r''-과정은 우라늄과 토륨과 같은 자연 방사성 원소와 각 무거운 원소의 가장 중성자가 풍부한 동위원소에 대한 책임이 있다.

r-과정의 주요 발생지로는 초신성 폭발과 중성자별 병합이 유력하게 거론된다.

4. 1. 초신성 폭발

4. 2. 중성자별 병합

5. 천체 관측

태양계의 원소 조성과 운석 연구를 통해 r-과정으로 생성된 원소의 비율을 파악할 수 있다.^[33] 은하 헤일로의 금속 결핍성에서 r-과정 원소가 풍부한 별들이 관측되고 있는데,^[4] 이는 초기 우주에서 r-과정이 발생했음을 시사한다. 태양계는 여러 차례의 원소 합성 결과로 형성된 것으로 여겨지므로, 여러 번의 r-과정 천체 현상을 거쳤다. 반면, 금속 결핍성에서 발견되는 원소 패턴은 한두 번의 원소 합성 결과라고 생각된다.

태양계 원소 조성에서의 r-과정 원소와 r-과정 원소 과잉 금속 결핍성의 원소 패턴은 몇 가지 예외를 제외하고 놀랍도록 일치하며, 이는 천체 현상에 관계없이 r-과정의 물리적 환경이 유사하다는 것을 시사한다. 이러한 관측 값의 일치를 r-과정의 "보편성(universality)"이라고도 부르며, 이는 다양한 천체 환경에서도 유사한 r-과정 핵합성이 일어날 수 있음을 의미한다.

참조

_[1] 간행물 Synthesis of the Elements in Stars 1957
_[2] 간행물 What are the astrophysical sites for the ''r''-process and the production of heavy elements?
_[3] 간행물 Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event
_[4] 간행물 The formation of the heaviest elements
_[5] 간행물 R-Process Nucleosynthesis in Supernovae https://www.astro.um[...]
_[6] 간행물 The Synthesis of the Elements from Hydrogen 1946
_[7] 간행물 Abundances of the Elements
_[8] 간행물 The origin of the elements
_[9] 간행물 Nuclear reactions in stars and nucleogenesis
_[10] 간행물 Nucleosynthesis of heavy elements by neutron capture 1965
_[11] 문서
_[12] 문서
_[13] 간행물 A new interpretation of the heavy-element abundances in metal-deficient stars 1981
_[14] 간행물 GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral
_[15] 간행물 Two-neutron capture reactions and the ''r'' process https://core.ac.uk/d[...] 2019-06-17
_[16] 간행물 Reaching the limits of nuclear stability https://people.nscl.[...] 2004
_[17] 논문 Nucleosynthesis in explosive environments: neutron star mergers and core-collapse supernovae https://edoc.unibas.[...] University of Basel 2016
_[18] 간행물 Positioning the neutron drip line and the r-process paths in the nuclear landscape 2015
_[19] 간행물 On the termination of the ''r''-process and the synthesis of superheavy elements http://lup.lub.lu.se[...]
_[20] 서적 Principles of Stellar Evolution and Nucleosynthesis https://archive.org/[...] Mc-Graw-Hill 1968
_[21] 문서
_[22] 간행물 Sensitivity studies for the weak r process: neutron capture rates 2014
_[23] 간행물 Future of superheavy element research: Which nuclei could be synthesized within the next few years?
_[24] 간행물 Optical emission from a kilonova following a gravitational-wave-detected neutron-star merger
_[25] 간행물 Spectroscopic identification of ''r''-process nucleosynthesis in a double neutron-star merger
_[26] 간행물 A kilonova as the electromagnetic counterpart to a gravitational-wave source
_[27] 간행물 Identification of strontium in the merger of two neutron stars 2019
_[28] 간행물 Black Hole–Neutron Star Collisions
_[29] 간행물 Nucleosynthesis, neutrino bursts and gamma-rays from coalescing neutron stars
_[30] 간행물 ''r''-process in Neutron Star Mergers
_[31] 간행물 A 'kilonova' associated with the short-duration gamma-ray burst GRB 130603B 2013
_[32] 뉴스 Neutron star mergers may create much of the universe's gold https://www.science.[...] Science AAAS 2018-03-24
_[33] 간행물 Synthesis of the Elements in Stars http://prola.aps.org[...] 1957
_[34] 웹사이트 中性子星合体は金、プラチナ、レアアース等の生成工場｜ニュース - 研究成果｜国立天文台(NAOJ) https://www.nao.ac.j[...] 2020-06-21