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。
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)
