问题概述：宇宙中从铁到铀的重元素是如何产生的？1957年，Burbidge，Burbidge，Fowler和Hoyle 以及Cameron根据当时的核物理模型和观察结果，提出这些元素主要由慢中子俘获过程（s-过程）和快速中子俘获过程（r-过程）合成。其中，s-过程产生近一半从铁到铋的重元素；r-过程产生另一半从铁到铋的重元素，以及钍和铀。经过半个世纪的研究，虽然我们对s-过程有了比较清晰的认识，但是r-过程研究仍然存在许多疑难，被美国国家科学院宇宙物理学委员会列为21世纪的11个重大科学问题之一。

r-过程发生在极丰中子环境。在强大的中子通量作用下（~1022/cm2/s），种子核通过快速俘获中子和光核反应，在丰中子区迅速达到平衡，主要丰度集中在一两个远离稳定线的丰中子同位素。然后这些同位素通过相对缓慢的贝塔衰变将原子核中的一个中子转变成质子，从而产生更高原子序数的元素。由于原子核裂变，r过程终止在质量数约为270的核区。在中子通量减少之后，这些不稳定的丰中子同位素通过一系列贝塔衰变形成稳定的重元素。

r-过程研究面临的主要挑战是确定该过程的发生场所。困难主要来自两个方面。首先，r-过程涉及大量极丰中子的不稳定原子核。这些原子核的性质决定了特定天体物理环境中产生的r-过程元素丰度。由于目前还无法产生这些原子核并通过实验研究他们的相关性质，我们只好借助一些预言能力未知的理论模型提供外推结果，导致无法得到精确的元素丰度预言。其次，我们缺乏可信的天体物理模型来实现r-过程必要的极端丰中子条件，从而解释银河系中极贫金属星的重元素丰度渐进演化历史。尽管科学家提出许多r-过程发生场所的模型，但是还没有一个模型被大家普遍接受。其中最可能的两个模型是中子星合并（NSM）和核心塌缩超新星（CCSNe）。

最近GW170817中子星合并事件的多信使观测包括了引力波，伽马射线，X射线，紫外线，可见光，红外和射电辐射，为r-过程研究提供的绝佳机遇。观测到的红外光谱被解释为r-过程产生镧系元素的证据。此外，抛射出的物质和中子星合并事件的发生频率表明这些合并事件在r-过程核合成可能占主导地位。这结论与矮星系Reticulum-II中富集r-过程恒星的观测结果一致。地球深海底部244Pu的探测也表明像中子星合并这样稀有的高产额r过程场所的存在。

正确解读这些观测结果需要可靠的天体物理模型。然而，这些天体模型涉及极其复杂的过程，其中包括高温高密条件下的流体动力学，高密物态方程和中微子物理。核物理学是重元素起源研究中的重要组成部分。例如，基于可靠丰中子原子核数据建立的核合成模型可以预言特定天体环境中的r-过程，推断出中子星合并过程中的物理条件，从而解决不同喷射分量的贡献，确定其它天体物理场所对r-过程的贡献。

世界各国纷纷发展新一代放射性核素装置，例如日本RIBF，欧洲ISOLDE，美国FRIB，德国FAIR，中国HIAF等，用于产生丰中子新核素，研究他们的质量，寿命，衰变模式，反应率和裂变等性质；这些装置产生的丰中子核束引起的核反应也为丰中子致密物质物态方程研究提供新的机遇。

尽管我们利用新一代放射性核素装置将首次合成许多r-过程丰中子核素，但是我们仍然不能有效地约束远离稳定线的丰中子核素的俘获反应率，产生r过程中丰中子锕系元素和超重元素。r-过程模型所需的有关原子核数据有相当大的部分仍然来自理论模型。新的实验结果将检验各种核物理模型，提升它们在实验无法覆盖区域的预言能力。通过实验和理论相结合，得到更加可靠核数据，更新相关天体物理模拟所需的天体反应率数据库，预测不同天体环境中产生的重元素丰度以及发出的引力波，中微子和电磁辐射。

未来几十年中，我们在核物理实验，天文观测，天体模型，核理论和计算科学等方面的能力将发生质的飞跃。 RIKEN / RIBF，FRIB，FAIR，HIAF等新一代放射性核素装置将产生r过程一部分的大部分原子核。计划中的BISOL,EURISOL，CIADS+HIAF等装置甚至可能产生理论预言的所有中重核区丰中子核素。核理论将为r-过程丰中子原子核性质和致密物质状态方程建立自洽的微观模型，并在实验无法覆盖区域提供预言值的不确定性。引力波，中微子和光子的多信使观测将为我们带来更丰富的爆发性核合成事件的信息。基于新一代光学望远镜（包括4MOST和E-ELT）的大规模巡天计划将为我们展示银河系的化学演化历史。超级计算机将真实地模拟超新星，中子星合并和其他r-过程天体环境中的核合成和化学演化，并与观测数据比对。大型中微子探测器（JUNO等）将有望测量来自超新星的中微子能谱，为中微子在致密物质的输运过程提供校验。基于以上进展，我们有望最终确定r-过程的发生场所，并解决宇宙重元素起源问题。

重要意义：r-过程重元素合成研究需要核物理实验和理论，天文观测，天体物理模型模拟，中微子物理，原子物理等多学科协同作战。这种交叉为各个学科带来新的挑战和发展机遇，促进新的实验技术和理论的发展，推动人类文明的进步。