Skip to main content
Log in

Neutrinos, supernovae, and the origin of the heavy elements

  • Invited Review
  • Published:
Science China Physics, Mechanics & Astronomy Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Stars of ~ 8-100 M end their lives as core-collapse supernovae (SNe). In the process they emit a powerful burst of neutrinos, produce a variety of elements, and leave behind either a neutron star or a black hole. The wide mass range for SN progenitors results in diverse neutrino signals, explosion energies, and nucleosynthesis products. A major mechanism to produce nuclei heavier than iron is rapid neutron capture, or the r process. This process may be connected to SNe in several ways. A brief review is presented on current understanding of neutrino emission, explosion, and nucleosynthesis of SNe.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Similar content being viewed by others

References

  1. S. Borsanyi, S. Durr, Z. Fodor, C. Hoelbling, S. D. Katz, S. Krieg, L. Lellouch, T. Lippert, A. Portelli, K. K. Szabo, and B. C. Toth, Science 347, 1452 (2015).

    Article  ADS  Google Scholar 

  2. F. Käppeler, R. Gallino, S. Bisterzo, and W. Aoki, Rev. Mod. Phys. 83, 157 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  3. Y. Z. Qian, Prog. Particle Nucl. Phys. 50, 153 (2003).

    Article  ADS  Google Scholar 

  4. Y. Qian, and G. Wasserburg, Phys. Rep. 442, 237 (2007).

    Article  ADS  Google Scholar 

  5. M. Arnould, S. Goriely, and K. Takahashi, Phys. Rep. 450, 97 (2007).

    Article  ADS  Google Scholar 

  6. Y. Z. Qian, J. Phys. G-Nucl. Part. Phys. 41, 044002 (2014).

    Article  ADS  Google Scholar 

  7. W. Baade, and F. Zwicky, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 20, 259 (1934).

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. W. Baade, and F. Zwicky, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 20, 254 (1934).

    Article  ADS  Google Scholar 

  9. H. A. Bethe, and J. R. Wilson, Astrophys. J. 295, 14 (1985).

    Article  ADS  Google Scholar 

  10. R. Mayle, and J. R. Wilson, Astrophys. J. 334, 909 (1988).

    Article  ADS  Google Scholar 

  11. F. S. Kitaura, H. T. Janka, and W. Hillebrandt, Astron. Astrophys. 450, 345 (2006).

    Article  ADS  Google Scholar 

  12. T. Fischer, S. C. Whitehouse, A. Mezzacappa, F. K. Thielemann, and M. Liebendörfer, Astron. Astrophys. 517, A80 (2010).

    Article  ADS  Google Scholar 

  13. H. T. Janka, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 62, 407 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. A. I. MacFadyen, and S. E. Woosley, Astrophys. J. 524, 262 (1999).

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. K. Hirata, T. Kajita, M. Koshiba, M. Nakahata, Y. Oyama, N. Sato, A. Suzuki, M. Takita, Y. Totsuka, T. Kifune, T. Suda, K. Takahashi, T. Tanimori, K. Miyano, M. Yamada, E. W. Beier, L. R. Feldscher, S. B. Kim, A. K. Mann, F. M. Newcomer, R. Van, W. Zhang, and B. G. Cortez, Phys. Rev. Lett. 58, 1490 (1987).

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. R. M. Bionta, G. Blewitt, C. B. Bratton, D. Casper, A. Ciocio, R. Claus, B. Cortez, M. Crouch, S. T. Dye, S. Errede, G. W. Foster, W. Gajewski, K. S. Ganezer, M. Goldhaber, T. J. Haines, T. W. Jones, D. Kielczewska, W. R. Kropp, J. G. Learned, J. M. LoSecco, J. Matthews, R. Miller, M. S. Mudan, H. S. Park, L. R. Price, F. Reines, J. Schultz, S. Seidel, E. Shumard, D. Sinclair, H. W. Sobel, J. L. Stone, L. R. Sulak, R. Svoboda, G. Thornton, J. C. van der Velde, and C. Wuest, Phys. Rev. Lett. 58, 1494 (1987).

    Article  ADS  Google Scholar 

  17. M. R. Wu, Y. Z. Qian, G. Martínez-Pinedo, T. Fischer, and L. Huther, Phys. Rev. D 91, 065016 (2015).

    Article  ADS  Google Scholar 

  18. T. Fischer, S. C. Whitehouse, A. Mezzacappa, F. K. Thielemann, and M. Liebendoörfer, Astron. Astrophys. 499, 1 (2009).

    Article  ADS  Google Scholar 

  19. R. Popham, S. E. Woosley, and C. Fryer, Astrophys. J. 518, 356 (1999).

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. Y. Z. Qian, G. M. Fuller, G. J. Mathews, R. W. Mayle, J. R. Wilson, and S. E. Woosley, Phys. Rev. Lett. 71, 1965 (1993).

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. Y. Z. Qian, and S. E. Woosley, Astrophys. J. 471, 331 (1996).

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. S. E. Woosley, J. R. Wilson, G. J. Mathews, R. D. Hoffman, and B. S. Meyer, Astrophys. J. 433, 229 (1994).

    Article  ADS  Google Scholar 

  23. L. Hüdepohl, B. Müller, H. T. Janka, A. Marek, and G. G. Raffelt, Phys. Rev. Lett. 104, 251101 (2010).

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. G. Martínez-Pinedo, T. Fischer, A. Lohs, and L. Huther, Phys. Rev. Lett. 109, 251104 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  25. L. F. Roberts, S. Reddy, and G. Shen, Phys. Rev. C 86, 065803 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  26. J. Witti, H. T. Janka, and K. Takahashi, Astron. Astrophys. 286, 841 (1994).

    ADS  Google Scholar 

  27. J. Witti, H. T. Janka, and K. Takahashi, Astron. Astrophys. 286, 857 (1994).

    ADS  Google Scholar 

  28. R. D. Hoffman, S. E. Woosley, and Y. Z. Qian, Astrophys. J. 482, 951 (1997).

    Article  ADS  Google Scholar 

  29. S.Wanajo, T. Kajino, G. J. Mathews, and K. Otsuki, Astrophys. J. 554, 578 (2001).

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. T. A. Thompson, A. Burrows, and B. S. Meyer, Astrophys. J. 562, 887 (2001).

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. L. F. Roberts, S. E. Woosley, and R. D. Hoffman, Astrophys. J. 722, 954 (2010).

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. S. E. Woosley, and R. D. Hoffman, Astrophys. J. 395, 202 (1992).

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. S. Wanajo, Astrophys. J. 770, L22 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. R. I. Epstein, S. A. Colgate, and W. C. Haxton, Phys. Rev. Lett. 61, 2038 (1988).

    Article  ADS  Google Scholar 

  35. S. E. Woosley, D. H. Hartmann, R. D. Hoffman, and W. C. Haxton, Astrophys. J. 356, 272 (1990).

    Article  ADS  Google Scholar 

  36. P. Banerjee, W. C. Haxton, and Y. Z. Qian, Phys. Rev. Lett. 106, 201104 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  37. P. Banerjee, Y.-Z. Qian, A. Heger, and W. C. Haxton, EPJ Web. Conf. 109, 06001 (2016).

    Article  Google Scholar 

  38. J. M. Lattimer, F. Mackie, D. G. Ravenhall, and D. N. Schramm, Astrophys. J. 213, 225 (1977).

    Article  ADS  Google Scholar 

  39. O. Korobkin, S. Rosswog, A. Arcones, and C. Winteler, Mon. Not. R. Astron. Soc. 426, 1940 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. A. Bauswein, S. Goriely, and H. T. Janka, Astrophys. J. 773, 78 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. O. Just, A. Bauswein, R. A. Pulpillo, S. Goriely, and H. T. Janka, Mon. Not. R. Astron. Soc. 448, 541 (2015).

    Article  ADS  Google Scholar 

  42. B. P. Abbott, et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 119, (2017).

  43. S. J. Smartt, T.W. Chen, A. Jerkstrand, M. Coughlin, E. Kankare, S. A. Sim, M. Fraser, C. Inserra, K. Maguire, K. C. Chambers, M. E. Huber, T. Krühler, G. Leloudas, M. Magee, L. J. Shingles, K. W. Smith, D. R. Young, J. Tonry, R. Kotak, A. Gal-Yam, J. D. Lyman, D. S. Homan, C. Agliozzo, J. P. Anderson, C. R. Angus, C. Ashall, C. Barbarino, F. E. Bauer, M. Berton, M. T. Botticella, M. Bulla, J. Bulger, G. Cannizzaro, Z. Cano, R. Cartier, A. Cikota, P. Clark, A. De Cia, M. Della Valle, L. Denneau, M. Dennefeld, L. Dessart, G. Dimitriadis, N. Elias-Rosa, R. E. Firth, H. Flewelling, A. Flörs, A. Franckowiak, C. Frohmaier, L. Galbany, S. González-Gaitán, J. Greiner, M. Gromadzki, A. N. Guelbenzu, C. P. Gutiérrez, A. Hamanowicz, L. Hanlon, J. Harmanen, K. E. Heintz, A. Heinze, M. S. Hernandez, S. T. Hodgkin, I. M. Hook, L. Izzo, P. A. James, P. G. Jonker, W. E. Kerzendorf, S. Klose, Z. Kostrzewa-Rutkowska, M. Kowalski, M. Kromer, H. Kuncarayakti, A. Lawrence, T. B. Lowe, E. A. Magnier, I. Manulis, A. Martin-Carrillo, S. Mattila, O. McBrien, A. Müller, J. Nordin, D. ONeill, F. Onori, J. T. Palmerio, A. Pastorello, F. Patat, G. Pignata, P. Podsiadlowski, M. L. Pumo, S. J. Prentice, A. Rau, A. Razza, A. Rest, T. Reynolds, R. Roy, A. J. Ruiter, K. A. Rybicki, L. Salmon, P. Schady, A. S. B. Schultz, T. Schweyer, I. R. Seitenzahl, M. Smith, J. Sollerman, B. Stalder, C. W. Stubbs, M. Sullivan, H. Szegedi, F. Taddia, S. Taubenberger, G. Terreran, B. van Soelen, J. Vos, R. J. Wainscoat, N. A. Walton, C. Waters, H. Weiland, M. Willman, P. Wiseman, D. E. Wright, Wyrzykowski, and O. Yaron, Nature 116, (2017).

  44. D. Kasen, B. Metzger, J. Barnes, E. Quataert, and E. Ramirez-Ruiz, Nature 192, (2017).

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to YongZhong Qian.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Qian, Y. Neutrinos, supernovae, and the origin of the heavy elements. Sci. China Phys. Mech. Astron. 61, 049501 (2018). https://doi.org/10.1007/s11433-017-9142-2

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s11433-017-9142-2

Keywords

Navigation