[論文レビュー] Coalescing Neutron Stars: A Solution to the R-Process Problem?

Stephan Rosswog, F.‐K. Thielemann+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、3Dニュートン型SPHシミュレーションにより、r過程の核合成に適した条件下で顕著な質量放出を示す中性子星連星の合体が、r過程核合成の有効な天体物理学的サイトであると提唱している。計算された元素組成パターンは太陽のr過程ピークと非常に良く一致しており、特にA ≈ 195付近で、初期エントロピーの微調整を必要としない。これは、中性子星合体が観測されたすべてのr過程元素を説明できる可能性を示唆している。

ABSTRACT

Recent calculations place questions on the ability of supernovae to produce r-process nuclei in the correct amounts. We present results from 3D Newtonian SPH calculations of mergers of equal mass neutron star binaries. We find the amounts of ejected mass to be very promising for an explanation of the observed r-process abundances. Preliminary abundance calculations show that practically all the material is subject to r-process conditions. The calculated abundance patterns reproduce the basic features of the solar r-process abundances very well. Especially the peak around A= 195 is easily reproduced without any tuning of the initial entropies. Thus, eventually all the observed r-process material could be explained by mass ejection during neutron star mergers.

研究の動機と目的

• 中性子星合体が観測されたr過程核合成元素組成を生成できるかどうかを調査すること。
• 重い元素の生成が不十分であるため、超新星が主なr過程サイトであるという疑念が高まっていることに応えること。
• 中性子星連星の質量放出がr過程条件を生成する役割を評価すること。
• 太陽のr過程元素組成パターン（特に質量数A ≈ 195のピーク）が、初期パラメータの微調整なしに再現可能かどうかを特定すること。

提案手法

• 等質量の中性子星連星合体について、3Dニュートン型スムージング粒子流体力学（SPH）シミュレーションを実施した。
• 合体過程における力学的挙動、衝撃加熱、および質量放出のプロセスを追跡した。
• r過程の妥当性を評価するために、放出された物質のエントロピーと電子割合を分析した。
• 太陽r過程パターンと比較するため、放出質量に対する元素組成計算を実施した。
• A ≈ 195のピークを再現するために、初期エントロピーの人工的調整を一切行わなかった。
• モデルの妥当性を検証するため、結果を観測された太陽r過程元素組成と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星合体が、銀河における観測されたr過程核合成を説明するのに十分な質量放出を生成できるか？
• RQ2 中性子星合体から放出された物質の条件が、急速中性子捕獲過程（r過程）を支持するか？
• RQ3 初期エントロピー値を調整せずに、シミュレーションされたr過程元素組成パターンが太陽r過程ピーク（質量数A ≈ 195）を再現できるか？
• RQ4 中性子星合体の質量放出が、r過程元素の全観測量と整合性を持つか？
• RQ5 中性子星合体が、観測されたすべてのr過程元素の主な供給源である可能性があるか？

主な発見

• シミュレーションにより顕著な質量放出が発生し、r過程核合成に適した条件が得られた。
• 放出物質のほぼすべてがr過程条件にさらされていることが判明し、高い効率性が示された。
• 計算されたr過程元素組成パターンは、太陽r過程パターンの基本的特徴をよく再現した。
• 質量数A ≈ 195のピークが、初期エントロピーの調整なしに自然に再現された。
• 結果から、中性子星合体が宇宙における観測されたすべてのr過程元素の源である可能性が示唆された。