[論文レビュー] Dynamical ejecta of neutron star mergers with nucleonic weak processes I: Nucleosynthesis

I Kullmann, S. Goriely+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 101被引用数 52

ひとこと要約

本研究は、中性子星合体の動的噴出物における核子的弱い過程（特にニュートリノ相互作用）がrプロセス核生成および放射性加熱に与える影響を調査する。自己一貫したニュートリノ輸送（ILEASフレームワーク）を用いた高度な流体力学的シミュレーションにより、ニュートリノ駆動による電子数分率（Ye）の変化が、状態方程式や質量非対称性に依存せず、A ≈ 90まで太陽類似のrプロセス元素生成パターンを生成し、Srが豊富に生成され、アクチニド元素の生成が減少することを示している。

ABSTRACT

We present a coherent study of the impact of neutrino interactions on the r-process element nucleosynthesis and the heating rate produced by the radioactive elements synthesised in the dynamical ejecta of neutron star-neutron star (NS-NS) mergers. We have studied the material ejected from four NS-NS merger systems based on hydrodynamical simulations which handle neutrino effects in an elaborate way by including neutrino equilibration with matter in optically thick regions and re-absorption in optically thin regions. We find that the neutron richness of the dynamical ejecta is significantly affected by the neutrinos emitted by the post-merger remnant, in particular when compared to a case neglecting all neutrino interactions. Our nucleosynthesis results show that a solar-like distribution of r- process elements with mass numbers $A \gtrsim 90$ is produced, including a significant enrichment in Sr and a reduced production of actinides compared to simulations without inclusion of the nucleonic weak processes. The composition of the dynamically ejected matter as well as the corresponding rate of radioactive decay heating are found to be rather independent of the system mass asymmetry and the adopted equation of state. This approximate degeneracy in abundance pattern and heating rates can be favourable for extracting the ejecta properties from kilonova observations, at least if the dynamical component dominates the overall ejecta. Part II of this work will study the light curve produced by the dynamical ejecta of our four NS merger models.

研究の動機と目的

• 中性子星合体の動的噴出物における核子的弱い過程（ニュートリノ吸収および放出）がrプロセス核生成に与える影響を評価すること。
• 弱い過程を無視したシミュレーションと比較して、ニュートリノ相互作用が電子数分率（Ye）をどのように変化させ、最終的な噴出物組成に影響を与えるかを特定すること。
• 異なる状態方程式（DD2、SFHo）および質量非対称性（1.35–1.35 M⊙ 対 1.25–1.45 M⊙）における核生成産物および加熱率の頑健性を評価すること。
• キロノバ光曲線および観測データからの噴出物性質の検出可能性に与える影響を検討すること。
• 遅延時間における加熱および放射に寄与する自由中性子および核分裂鎖反応の役割を評価すること。

提案手法

• 質量比と状態方程式（DD2およびSFHo）を変化させた4つの3次元、一般相対性理論的流体力学的NS-NS合体シミュレーションを実施。
• ニュートリノと物質の相互作用をモデル化するため、ILEAS（剛性を考慮した陰的ラグランジュ・オイラー的アプローチ）フレームワークを適用。光深さが高い領域ではニュートリノ平衡を、光深さが低い領域では再吸収を含む。
• 弱い過程による電子数分率（Ye）の時間的変化を追跡：νe + n ⇌ p + e⁻ および ḡνe + p ⇌ n + e⁺。
• 流体力学シミュレーションの最終的熱力学的軌道を用いて、後処理として核生成計算を実施し、核種生成分率を算出。
• rプロセス核種からの放射性崩壊加熱率を計算。β崩壊、自発的核分裂（例：²⁵⁴Cf）、α崩壊鎖からの寄与を含む。
• 初期条件（質量非対称性および状態方程式）に依存する核生成および加熱の依存性を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核子的弱い過程（特にニュートリノ吸収および放出）は、NS-NS合体の動的噴出物における電子数分率（Ye）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 その結果得られるrプロセス核生成産物は、太陽類似の生成分率パターンおよびストロンチウム（Sr）、ランタニド元素、アクチニド元素の生成に関してどのようになるか？
• RQ3 状態方程式や二重星系の質量非対称性の変化に対して、最終的な生成分率および加熱率がどの程度不変であるか？
• RQ4 弱い過程を含めることで、核分裂およびα崩壊鎖が遅延時間における放射性加熱に与える寄与はどのように変化するか？
• RQ5 残存する自由中性子および弱い過程によって変化した組成に起因する観測可能なシグナル（例：光曲線の特徴、X線放射）は何か？

主な発見

• 核子的弱い過程の組み込みにより、動的噴出物の電子数分率（Ye）が顕著に上昇し、特に極域において<0.1から約0.3–0.4に上昇する。これはニュートリノ吸収に起因する。
• その結果、rプロセス核生成は質量数A ≥ 90の元素において太陽類似の生成分率パターンを示し、弱い過程を無視したシミュレーションとは異なり、ストロンチウム（Sr）が顕著に豊富化される。
• ニュートリノ相互作用がないモデルと比較して、アクチニド元素（ウランや Californium など）の生成が顕著に減少する。これは中性子が豊富でなくなったことに起因する。
• 初期条件の違いにもかかわらず、4つのモデルすべてにおいて最終的な生成分率および加熱率が顕著に類似しており、状態方程式および質量非対称性に対して近似的に縮退していることが示された。
• 加熱率は合体後約10分、7時間、30日頃に、残存するr核種のβ崩壊に強く依存しており、弱い過程を含めると自発的核分裂およびα崩壊鎖の寄与は減少する。
• 弱い過程が存在しても、高速に拡張する噴出物層には非可視な割合の自由中性子が残存し、遅延時間におけるX線放射に寄与し、キロノバ光曲線に検出可能なシグナルを残す可能性がある。