1932

Abstract

Neutron captures produce the vast majority of abundances of elements heavier than iron in the Universe. Beyond the classical slow () and rapid () processes, there is observational evidence for neutron-capture processes that operate at neutron densities in between, at different distances from the valley of β stability. Here, we review the main properties of the process within the general context of neutron-capture processes and the nuclear physics input required to investigate it. We describe massive stars and asymptotic giant branch stars as the -process astrophysical sites and discuss the related physical uncertainties. We also present current observational evidence for the process and beyond, which ranges from stellar spectroscopic observations to laboratory analysis of meteorites.

Loading

Article metrics loading...

/content/journals/10.1146/annurev-nucl-102422-080857
2023-09-25
2024-04-25
Loading full text...

Full text loading...

/deliver/fulltext/nucl/73/1/annurev-nucl-102422-080857.html?itemId=/content/journals/10.1146/annurev-nucl-102422-080857&mimeType=html&fmt=ahah

Literature Cited

  1. 1.
    Burbidge EM, Burbidge GR, Fowler WA, Hoyle F. Rev. Mod. Phys. 29:547 1957.)
  2. 2.
    Wallerstein G et al. Rev. Mod. Phys. 69:995 1997.)
  3. 3.
    Pignatari M, Göbel K, Reifarth R, Travaglio C. Int. J. Mod. Phys. E 25:1630003 2016.)
  4. 4.
    Lodders K. The Oxford Research Encyclopedia of Planetary Science Oxford, UK: Oxford Univ. Press https://doi.org/10.1093/acrefore/9780190647926.013.145 2020.)
  5. 5.
    Cameron AGW. Astrophys. J. 121:144 1955.)
  6. 6.
    Merrill SPW. Astrophys. J. 116:21 1952.)
  7. 7.
    Kilpatrick CD et al. Science 358:1583 2017.)
  8. 8.
    Watson D et al. Nature 574:497 2019.)
  9. 9.
    Cowan JJ, Rose WK. Astrophys. J. 212:149 1977.)
  10. 10.
    Herwig F et al. Astrophys. J. 727:89 2011.)
  11. 11.
    Denissenkov PA et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 488:4258 2019.)
  12. 12.
    Dardelet L et al. Proc. Sci. NIC XIII 145 2014.)
  13. 13.
    Hampel M, Stancliffe RJ, Lugaro M, Meyer BS. Astrophys. J. 831:171 2016.)
  14. 14.
    Caffau E et al. Astron. Astrophys. 628:A46 2019.)
  15. 15.
    Choplin A, Siess L, Goriely S. Astron. Astrophys. 648:A119 2021.)
  16. 16.
    Lugaro M et al. Astron. Astrophys. 583:A77 2015.)
  17. 17.
    Hampel M et al. Astrophys. J. 887:11 2019.)
  18. 18.
    Jadhav M et al. Astrophys. J. Lett. 777:L27 2013.)
  19. 19.
    Fujiya W et al. Astrophys. J. Lett. 776:L29 2013.)
  20. 20.
    Blake JB, Schramm DN. Astrophys. J. 209:846 1976.)
  21. 21.
    Howard WM, Meyer BS, Clayton DD. Meteoritics 27:404 1992.)
  22. 22.
    Meyer BS, Clayton DD, The L-S. Astrophys. J. Lett. 540:L49 2000.)
  23. 23.
    Pignatari M et al. Geochim. Cosmochim. Acta 221:37 2018.)
  24. 24.
    Pignatari M et al. Astrophys. J. Lett. 771:L7 2013.)
  25. 25.
    Straniero O et al. Astrophys. J. Lett. 440:L85 1995.)
  26. 26.
    Gallino R et al. Astrophys. J. 497:388 1998.)
  27. 27.
    Busso M, Gallino R, Wasserburg GJ. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 37:239 1999.)
  28. 28.
    Raiteri CM et al. Astrophys. J. 367:228 1991.)
  29. 29.
    The LS, El Eid MF, Meyer BS Astrophys. J. 655:1058 2007.)
  30. 30.
    Pignatari M et al. Astrophys. J. 710:1557 2010.)
  31. 31.
    Cristallo S et al. Publ. Astron. Soc. Aust. 26:139 2009.)
  32. 32.
    Jones S et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 455:3848 2016.)
  33. 33.
    Denissenkov PA et al. Astrophys. J. Lett. 834:L10 2017.)
  34. 34.
    Battino U et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 497:4981 2020.)
  35. 35.
    Roederer IU, Karakas AI, Pignatari M, Herwig F. Astrophys. J. 821:37 2016.)
  36. 36.
    Clarkson O, Herwig F, Pignatari M. Mon. Not. R. Astron. Soc. 474:L37 2018.)
  37. 37.
    Banerjee P, Qian Y-Z, Heger A. Astrophys. J. 865:120 2018.)
  38. 38.
    Thielemann FK et al. Prog. Part. Nucl. Phys. 66:346 2011.)
  39. 39.
    Kajino T et al. Prog. Part. Nucl. Phys. 107:109 2019.)
  40. 40.
    Cowan JJ et al. Rev. Mod. Phys. 93:015002 2021.)
  41. 41.
    Hirschi R. Handbook of Nuclear Physics ed. I Tanihata, H Toki, T Kajino. Singapore: Springer Nature. https://doi.org/10.1007/978-981-15-8818-1_118-1 (2023)
    [Crossref]
  42. 42.
    Hampel M. Neutron capture nucleosynthesis and the i process. MSc Thesis Univ. Bonn Bonn, Ger: 2015.)
    [Google Scholar]
  43. 43.
    Grawe H, Langanke K, Martínez-Pinedo G. Rep. Prog. Phys. 70:1525 2007.)
  44. 44.
    Bertolli MG, Herwig F, Pignatari M, Kawano T. arXiv:1310.4578 [astro-ph.SR] 2013.)
  45. 45.
    Lugaro M et al. Astrophys. J. 898:96 2020.)
  46. 46.
    Lugaro M, Chieffi A. Astrophysics with Radioactive Isotopes R Diehl, DH Hartmann, N Prantzos 643–52. Cham: Springer 2018.)
  47. 47.
    Abia C et al. Astrophys. J. 559:1117 2001.)
  48. 48.
    van Raai MA et al. Astron. Astrophys. 540:A44 2012.)
  49. 49.
    Bisterzo S et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 449:506 2015.)
  50. 50.
    Reifarth R et al. Astrophys. J. 614:363 2004.)
  51. 51.
    Reifarth R et al. Int. J. Mod. Phys. A 33:1843011 2018.)
  52. 52.
    Rauscher T. Astrophys. J. 755:L10 2012.)
  53. 53.
    Nassar H et al. Phys. Rev. Lett. 94:092504 2005.)
  54. 54.
    Heil M et al. Phys. Rev. C 77:015808 2008.)
  55. 55.
    Pignatari M et al. Astrophys. J. 710:1557 2010.)
  56. 56.
    Busso M, Gallino R. Astron. Astrophys. 151:205 1985.)
  57. 57.
    Langer N, Arcoragi J-P, Arnould M. Astron. Astrophys. 210:187 1989.)
  58. 58.
    Rayet M, Hashimoto M-a. Astron. Astrophys. 354:740 2000.)
  59. 59.
    Reifarth R, Lederer C, Käppeler F. J. Phys. G Nucl. Phys. 41:053101 2014.)
  60. 60.
    Guerrero C et al. Eur. Phys. J. A 49:27 2013.)
  61. 61.
    Weiß C et al. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 799:90 2015.)
  62. 62.
    Reifarth R et al. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 531:530 2004.)
  63. 63.
    Couture A, Reifarth R. At. Data Nucl. Data Tables 93:807 2007.)
  64. 64.
    Ebran A et al. Phys. Rev. C 99:064603 2019.)
  65. 65.
    Guerrero C et al. Phys. Rev. Lett. 125:142701 2020.)
  66. 66.
    Reifarth R et al. Eur. Phys. J. Plus 133:424 2018.)
  67. 67.
    Pavetich S et al. Phys. Rev. C 99:015801 2019.)
  68. 68.
    Tessler M et al. Phys. Rev. C 104:015806 2021.)
  69. 69.
    Reifarth R et al. Astrophys. J. 582:1251 2003.)
  70. 70.
    Uberseder E et al. Phys. Rev. Lett. 102:151101 2009.)
  71. 71.
    Reifarth R, Heil M, Käppeler F, Plag R. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 608:139 2009.)
  72. 72.
    Heil M et al. Phys. Rev. C 71:025803 2005.)
  73. 73.
    Glorius J et al. Phys. Rev. Lett. 122:092701 2019.)
  74. 74.
    Reifarth R, Litvinov YA. Phys. Rev. ST Accel. Beams 17:014701 2014.)
  75. 75.
    Reifarth R et al. Phys. Rev. Accel. Beams 20:044701 2017.)
  76. 76.
    Takahashi K, Yokoi K. At. Data Nucl. Data Tables 36:375 1987.)
  77. 77.
    Lugaro M et al. Science 345:650 2014.)
  78. 78.
    Li KA et al. Astrophys. J. Lett. 919:L19 2021.)
  79. 79.
    Taioli S et al. Astrophys. J. 933:158 2022.)
  80. 80.
    Langanke K, Martínez-Pinedo G, Zegers RGT. Rep. Prog. Phys. 84:066301 2021.)
  81. 81.
    Bosch F et al. Phys. Rev. Lett. 77:5190 1996.)
  82. 82.
    Woodward PR, Herwig F, Lin P-H. Astrophys. J. 798:49 2015.)
  83. 83.
    Ciani GF et al. Phys. Rev. Lett. 127:152701 2021.)
  84. 84.
    Gao B et al. Phys. Rev. Lett. 129:132701 2022.)
  85. 85.
    Xu Y et al. Nucl. Phys. A 918:61 2013.)
  86. 86.
    deBoer RJ et al. Phys. Rev. C 101:045802 2020.)
  87. 87.
    Azuma RE et al. Phys. Rev. C 81:045805 2010.)
  88. 88.
    Odell D et al. Front. Phys. 10:888476 2022.)
  89. 89.
    Best A et al. Phys. Rev. C 87:045806 2013.)
  90. 90.
    Iben I Jr. Astrophys. J. 208:165 1976.)
  91. 91.
    Prantzos N, Hashimoto M, Nomoto K. Astron. Astrophys. 234:211 1990.)
  92. 92.
    Chieffi A, Limongi M, Straniero O. Astrophys. J. 502:737 1998.)
  93. 93.
    Raiteri CM, Busso M, Gallino R, Picchio G. Astrophys. J. 371:665 1991.)
  94. 94.
    Pignatari M et al. Astrophys. J. Lett. 767:L22 2013.)
  95. 95.
    Deleted in proof
  96. 96.
    Baraffe I, El Eid MF, Prantzos N. Astron. Astrophys. 258:357 1992.)
  97. 97.
    Williams M et al. Phys. Rev. C 105:065805 2022.)
  98. 98.
    Kaeppeler F et al. Astrophys. J. 437:396 1994.)
  99. 99.
    Talwar R et al. Phys. Rev. C 93:055803 2016.)
  100. 100.
    Ota S et al. Phys. Rev. C 104:055806 2021.)
  101. 101.
    Depalo R et al. Phys. Rev. C 94:055804 2016.)
  102. 102.
    Adsley P et al. Phys. Rev. C 103:015805 2021.)
  103. 103.
    Giesen U et al. Nucl. Phys. A 561:95 1993.)
  104. 104.
    Harms V, Kratz K-L, Wiescher M. Phys. Rev. C 43:2849 1991.)
  105. 105.
    Jaeger M et al. Phys. Rev. Lett. 87:202501 2001.)
  106. 106.
    Ota S et al. Phys. Lett. B 802:135256 2020.)
  107. 107.
    Jayatissa H et al. Phys. Lett. B 802:135267 2020.)
  108. 108.
    Shahina et al. Phys. Rev. C 106:025805 2022.)
  109. 109.
    Wolke K et al. Z. Phys. A Hadrons Nucl. 334:491 1989.)
  110. 110.
    Longland R, Iliadis C, Karakas AI. Phys. Rev. C 85:065809 2012.)
  111. 111.
    Piatti D et al. Eur. Phys. J. A 58:194 2022.)
  112. 112.
    Lamb SA, Howard WM, Truran JW, Iben I Jr. Astrophys. J. 217:213 1977.)
  113. 113.
    Käppeler F, Gallino R, Bisterzo S, Aoki W. Rev. Mod. Phys. 83:157 2011.)
  114. 114.
    Travaglio C et al. Astrophys. J. 510:325 1999.)
  115. 115.
    Bisterzo S et al. Astrophys. J. 835:97 2017.)
  116. 116.
    Rauscher T, Heger A, Hoffman RD, Woosley SE. Astrophys. J. 576:323 2002.)
  117. 117.
    Pignatari M et al. Astrophys. J. Suppl. Ser. 225:24 2016.)
  118. 118.
    Pignatari M, Gallino R. American Institute of Physics Conference Series, Vol. 990 First Stars III BW O'Shea, A Heger 336–38. College Park, MD: Am. Inst. Phys. 2008.)
  119. 119.
    Pignatari M et al. Astrophys. J. 687:L95 2008.)
  120. 120.
    Cescutti G et al. Astron. Astrophys. 553:A51 2013.)
  121. 121.
    Travaglio C, Hillebrandt W, Reinecke M, Thielemann F-K. Astron. Astrophys. 425:1029 2004.)
  122. 122.
    Montes F et al. Astrophys. J. 671:1685 2007.)
  123. 123.
    Frischknecht U et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 456:1803 2016.)
  124. 124.
    Choplin A et al. Astron. Astrophys. 618:A133 2018.)
  125. 125.
    Limongi M, Chieffi A. Astrophys. J. Suppl. Ser. 237:13 2018.)
  126. 126.
    Banerjee P, Heger A, Qian Y-Z. Astrophys. J. 887:187 2019.)
  127. 127.
    Prantzos N et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 491:1832 2020.)
  128. 128.
    Chiappini C et al. Astron. Astrophys. 449:L27 2006.)
  129. 129.
    Barbuy B et al. Astron. Astrophys. 654:A29 2021.)
  130. 130.
    Karakas AI, Lattanzio JC Publ. Astron. Soc. Aust. 31:e030 2014.)
  131. 131.
    Lugaro M, Karakas AI, Dell'Agli F. Presolar Grains in Extra-Terrestrial Materials: Probing Stars with Stardust S Amari Amsterdam: Elsevier. In press
  132. 132.
    Wallner A et al. Phys. Rev. C 93:045803 2016.)
  133. 133.
    Fishlock CK, Karakas AI, Lugaro M, Yong D. Astrophys. J. 797:44 2014.)
  134. 134.
    Hollowell D, Iben I Jr. Astrophys. J. Lett. 333:L25 1988.)
  135. 135.
    Goriely S, Mowlavi N. Astron. Astrophys. 362:599 2000.)
  136. 136.
    Trippella O et al. Astrophys. J. 818:125 2016.)
  137. 137.
    Busso M et al. Astrophys. J. 908:55 2021.)
  138. 138.
    Cristallo S et al. Astrophys. J. 696:797 2009.)
  139. 139.
    Cristallo S et al. Astrophys. J. Suppl. Ser. 197:17 2011.)
  140. 140.
    Herwig F et al. Astronomical Society of the Pacific Conference Series, Vol. 378 Why Galaxies Care About AGB Stars: Their Importance as Actors and Probes F Kerschbaum, C Charbonnel 43–53. San Francisco: Astron. Soc. Pac 2007.)
  141. 141.
    Battino U et al. Astrophys. J. 827:30 2016.)
  142. 142.
    Battino U et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 489:1082 2019.)
  143. 143.
    Lugaro M et al. Astrophys. J. 586:1305 2003.)
  144. 144.
    Bisterzo S et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 404:1529 2010.)
  145. 145.
    Lugaro M, Karakas AI, Stancliffe RJ, Rijs C. Astrophys. J. 747:2 2012.)
  146. 146.
    Karakas AI, Lugaro M. Astrophys. J. 825:26 2016.)
  147. 147.
    Buntain JF et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 471:824 2017.)
  148. 148.
    Herwig F, Langer N, Lugaro M. Astrophys. J. 593:1056 2003.)
  149. 149.
    Siess L, Goriely S, Langer N. Astron. Astrophys. 415:1089 2004.)
  150. 150.
    Piersanti L, Cristallo S, Straniero O. Astrophys. J. 774:98 2013.)
  151. 151.
    Denissenkov PA, Tout CA. Mon. Not. R. Astron. Soc. 340:722 2003.)
  152. 152.
    Cseh B et al. Astron. Astrophys. 620:A146 2018.)
  153. 153.
    den Hartogh JW et al. Astron. Astrophys. 629:A123 2019.)
  154. 154.
    Abia C, Isern J. Astrophys. J. 536:438 2000.)
  155. 155.
    García-Hernández DA et al. Science 314:1751 2006.)
  156. 156.
    van Winckel H. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 41:391 2003.)
  157. 157.
    Sterling NC, Dinerstein HL. Astrophys. J. Suppl. Ser. 174:158 2008.)
  158. 158.
    de Castro DB et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 459:4299 2016.)
  159. 159.
    Lucatello S et al. Astrophys. J. 625:825 2005.)
  160. 160.
    Karinkuzhi D, Goswami A. Mon. Not. R. Astron. Soc. 446:2348 2015.)
  161. 161.
    De Marco O, Izzard RG Publ. Astron. Soc. Aust. 34:e001 2017.)
  162. 162.
    Pérez-Mesa V et al. Astron. Astrophys. 606:A20 2017.)
  163. 163.
    Roriz MP et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 507:1956 2021.)
  164. 164.
    Roriz MP et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 501:5834 2021.)
  165. 165.
    Clayton DD. Mon. Not. R. Astron. Soc. 234:1 1988.)
  166. 166.
    Cseh B et al. Astron. Astrophys. 660:A128 2022.)
  167. 167.
    Jorissen A et al. Astron. Astrophys. 626:A127 2019.)
  168. 168.
    den Hartogh JW et al. Astron. Astrophys. 672:A143 2023.)
  169. 169.
    Tagliente G et al. Phys. Rev. C 87:014622 2013.)
  170. 170.
    Zinner E. Meteorites and Cosmochemical Processes, Vol. 1 Treatise on Geochemistry HD Holland, KK Turekian 181–213. Oxford, UK: Elsevier. , 2nd ed.. ( 2014.)
  171. 171.
    Trappitsch R et al. Geochim. Cosmochim. Acta 221:87 2018.)
  172. 172.
    Liu N et al. Astrophys. J. 803:12 2015.)
  173. 173.
    Ávila JN et al. Astrophys. J. 744:49 2012.)
  174. 174.
    Reynolds JH, Turner G. J. Geophys. Res. 69:3263 1964.)
  175. 175.
    Lewis KM, Lugaro M, Gibson BK, Pilkington K. Astrophys. J. Lett. 768:L19 2013.)
  176. 176.
    Liu N et al. Astrophys. J. 881:28 2019.)
  177. 177.
    Stephan T et al. Int. J. Mass Spectrom. 407:1 2016.)
  178. 178.
    Liu N et al. Astrophys. J. 788:163 2014.)
  179. 179.
    Liu N et al. Astrophys. J. 865:112 2018.)
  180. 180.
    Lugaro M, Karakas AI, Pető M, Plachy E. Geochim. Cosmochim. Acta 221:6 2018.)
  181. 181.
    Palmerini S et al. Astrophys. J. 921:7 2021.)
  182. 182.
    Lugaro M et al. Astrophys. J. 593:486 2003.)
  183. 183.
    Nissen PE et al. Astron. Astrophys. 640:A81 2020.)
  184. 184.
    Dauphas N, Marty B, Reisberg L. Astrophys. J. 569:L139 2002.)
  185. 185.
    Burkhardt C, Kleine T, Dauphas N, Wieler R. Astrophys. J. Lett. 753:L6 2012.)
  186. 186.
    Dauphas N, Schauble EA. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 44:709 2016.)
  187. 187.
    Dauphas N, Davis AM, Marty B, Reisberg L. Earth Planet. Sci. Lett. 226:465 2004.)
  188. 188.
    Ek M, Hunt AC, Lugaro M, Schönbächler M. Nat. Astron. 4:273 2020.)
  189. 189.
    Burkhardt C et al. Sci. Adv. 7:eabj7601 2021.)
  190. 190.
    Lugaro M, Ott U, Kereszturi Á. Progr. Part. Nucl. Phys. 102:1 2018.)
  191. 191.
    Davis AM. Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 72:339 2022.)
  192. 192.
    Côté B et al. Science 371:945 2021.)
  193. 193.
    Trueman TCL et al. Astrophys. J. 924:10 2022.)
  194. 194.
    Travaglio C et al. Astrophys. J. 559:909 2001.)
  195. 195.
    Prantzos N et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 476:3432 2018.)
  196. 196.
    Cescutti G, Chiappini C. Astron. Astrophys. 565:A51 2014.)
  197. 197.
    Kobayashi C, Karakas AI, Lugaro M. Astrophys. J. 900:179 2020.)
  198. 198.
    Frebel A. Astron. Nachr. 331:474 2010.)
  199. 199.
    Cristallo S, Abia C, Straniero O, Piersanti L. Astrophys. J. 801:53 2015.)
  200. 200.
    Qian YZ, Wasserburg GJ. Phys. Rep. 442:237 2007.)
  201. 201.
    Farouqi K, Kratz K-L, Pfeiffer B. Publ. Astron. Soc. Aust. 26:194 2009.)
  202. 202.
    Arcones A, Montes F. Astrophys. J. 731:5 2011.)
  203. 203.
    Spina L et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 474:2580 2018.)
  204. 204.
    Tautvaišienė G et al. Astron. Astrophys. 649:A126 2021.)
  205. 205.
    Hayden MR et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 493:2952 2020.)
  206. 206.
    Casagrande L et al. Astron. Astrophys. 530:A138 2011.)
  207. 207.
    Baratella M et al. Astron. Astrophys. 653:A67 2021.)
/content/journals/10.1146/annurev-nucl-102422-080857
Loading
/content/journals/10.1146/annurev-nucl-102422-080857
Loading

Data & Media loading...

  • Article Type: Review Article
This is a required field
Please enter a valid email address
Approval was a Success
Invalid data
An Error Occurred
Approval was partially successful, following selected items could not be processed due to error