[論文レビュー] Ejecting the envelope of red supergiant stars with jets launched by an inspiraling neutron star

Oded Papish, Noam Soker+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、中性子星が赤超巨星の包層および核へとスパイラルインする際、そのジェットが星の外層および核物質を噴出させ、Thorne–Żytkow object (TZO) の形成を防ぎ、強力な r-過程核合成の希少な場を提供すると提案する。ジェットフィードバック機構により、約 0.01–0.1 M⊙ の物質が噴出され、r-過程元素は中性子星周辺の中性子豊富なジェット内で衝撃加熱の前にも形成される。

ABSTRACT

We study the properties of jets launched by a neutron star spiralling inside the envelope and core of a red supergiant. We propose that Thorne-Zytkow objects (TZO) are unlikely to be formed via common envelope (CE) evolution if accretion on to the neutron star can exceed the Eddington rate with much of the accretion energy directed into jets that subsequently dissipate within the giant envelope. We use the jet-feedback mechanism, where energy deposited by the jets drives the ejection of the entire envelope and part of the core, and find a very strong interaction of the jets with the core material at late phases of the CE evolution. Following our results we speculate on two rare processes that might take place in the evolution of massive stars. (1) Recent studies have claimed that the peculiar abundances of the HV2112 RSG star can be explained if this star is a TZO. We instead speculate that the rich-calcium envelope comes from a supernova explosion of a stellar companion that was only slightly more massive than HV2112, such that during its explosion HV2112 was already a giant that intercepted a relatively large fraction of the SN ejecta. (2) We raise the possibility that strong r-process nucleosynthesis, where elements with high atomic weight of $A \ga 130$ are formed, occurs inside the jets that are launched by the NS inside the core of the RSG star.

研究の動機と目的

• 共通包層状態における中性子星から発するジェットが、赤超巨星の包層および核を噴出させ、Thorne–Żytkow object (TZO) の形成を防げるかどうかを調査すること。
• 中性子星–核の相互作用中に発生するジェットが、特に質量数 A ≳ 130 の元素に対して強力な r-過程核合成の場として実現可能かどうかを検討すること。
• 質量関係の高い連星系における共通包層進化の過程で、ジェットフィードバックが降着を制御し、物質噴出を駆動する役割を評価すること。
• HV2112 の特異なカルシウム豊富な組成を、TZO 状態ではなく、超新星残骸の衝突捕獲シナリオと一致させること。
• ジェット駆動型超新星爆発と r-過程核合成を、ジャッギング・ジェットモデルの下で統一すること。

提案手法

• Soker ら (2013) のジェットフィードバック機構を用いて、ジェットによるエネルギーの巨細星の包層および核への注入をモデル化し、降着を制御し、物質の噴出を駆動する。
• 流体力学的シミュレーションを用いて、特に核との後期相互作用（r ≈ 0.1 R⊙ 付近）におけるジェットエネルギーの注入と物質噴出を推定する。
• 降着円盤の形成とジェット発生に基づき、中性子星が核と相互作用する過程で約 0.01–0.1 M⊙ のジェット質量が噴出すると推定する。
• Winteler ら (2012) のコアコラプス超新星における MHD ジェットと比較し、r-過程に好都合な低エントロピー・中性子豊富な流出を重視する。
• Cameron (2001) および Papish & Soker (2012) のモデルを用いて核合成の可能性を評価し、衝撃加熱の前である未衝撃内側ジェットで r-過程が発生すると仮定する。
• 中性子星のスパイラルイン段階における高い降着率とジェット形成を可能にするニュートリノ冷却の役割を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共通包層状態における中性子星から発するジェットが、赤超巨星の包層および核全体を噴出させ、TZO の形成を防げるか？
• RQ2 中性子星ジェットと核物質の相互作用が、外側の核領域を解体させるのに十分な強さを持ち、何らかの質量が噴出されるか？
• RQ3 赤超巨星の核内に中性子星が存在する状態で発生するジェット内に、強力な r-過程核合成（A ≳ 130）が発生可能か、またその条件は何か？
• RQ4 CE-NS ジェットにおける r-過程生成量は、標準的なコアコラプス超新星ジェットと比較して、ニュートリノ放射度および中性子豊富度の観点からどう異なるか？
• RQ5 このプロセスの希少性が、金属欠乏星で観測される重い r-過程元素の組成に大きな散らばりを示す理由を説明できるか？

主な発見

• 共通包層状態における中性子星から発するジェットが、包層全体および核の顕著な一部を噴出させ、TZO の形成は極めて不確実となる。
• 中性子星が核と相互作用する過程で、約 0.01–0.1 M⊙ の物質がジェットによって噴出され、外側の核が強いジェット-コア相互作用により解体される。
• r-過程は中性子星付近のジェット内側、未衝撃領域で発生可能であり、衝撃後の温度が低く、中性子が豊富な状態が維持される。
• これらのジェットにおける総 r-過程生成量は最大で約 0.01 M⊙ に達し、金属欠乏星で観測される重い r-過程元素の組成を説明するのに十分である。
• NS-コア合体環境における低ニュートリノ放射度は、中性子が豊富な流出を促進し、強力な r-過程元素（A ≳ 130）の生成を増幅する。
• このプロセスの希少性（推定でコアコラプス超新星の約 1%）は、初期の銀河系星における r-過程元素の組成に大きな散らばりが観測されるのと整合する。