[論文レビュー] Impact of systematic nuclear uncertainties on composition and decay heat of dynamical and disk ejecta in compact binary mergers

I. Kullmann, S. Goriely+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、核質量、ベータ壊変率、崩壊断面積、中性子捕獲断面積といった体系的核不確実性が、連星合体からの動的およびディスク噴出物におけるr過程核合成および崩壊熱にどのように影響するかを調査する。14種の核モデルと流体力学的シミュレーションを用いて、初期の崩壊加熱はわずかに影響を受ける（要因2未満）一方で、後期の加熱は崩壊の寄与に強く依存し、核不確実性が宇宙年齢推定値に最大2 Gyrの影響を与えることが判明した。

ABSTRACT

Theoretically predicted yields of elements created by the rapid neutron capture (r-) process carry potentially large uncertainties associated with incomplete knowledge of nuclear properties and approximative hydrodynamical modelling of the matter ejection processes. We present an in-depth study of the nuclear uncertainties by varying theoretical nuclear input models that describe the experimentally unknown neutron-rich nuclei. This includes two frameworks for calculating the radiative neutron capture rates and 14 different models for nuclear masses, $β$-decay rates and fission properties. Our r-process nuclear network calculations are based on detailed hydrodynamical simulations of dynamically ejected material from NS-NS or NS-BH binary mergers plus the secular ejecta from BH-torus systems. The impact of nuclear uncertainties on the r-process abundance distribution and the early radioactive heating rate is found to be modest (within a factor of $\sim20$ for individual $A>90$ abundances and a factor of 2 for the heating rate). However, the impact on the late-time heating rate is more significant and depends strongly on the contribution from fission. We witness significantly larger sensitivity to the nuclear physics input if only a single trajectory is used compared to considering ensembles of $\sim$200-300 trajectories, and the quantitative effects of the nuclear uncertainties strongly depend on the adopted conditions for the individual trajectory. We use the predicted Th/U ratio to estimate the cosmochronometric age of six metal-poor stars and find the impact of the nuclear uncertainties to be up to 2 Gyr.

研究の動機と目的

• 連星合体からの動的およびディスク噴出物におけるr過程元素の生成パターンと崩壊熱に、体系的核不確実性が与える影響を評価すること。
• 特に核質量、ベータ壊変率、崩壊断面積、中性子捕獲率の変動が核合成の結果に与える影響を評価すること。
• 後期の崩壊加熱および宇宙計測年齢推定値が核物理学的不確実性にどれほど敏感であるかを定量的に評価すること。
• 単一軌道シミュレーションとアンサンブルベースのシミュレーションの違いが、核不確実性の伝播に与える影響を比較すること。
• 天体物理学的予測における不確実性の主な寄与要因となる核入力の特定を通じて、r過程モデリングの信頼性を向上させること。

提案手法

• 本研究は、NS-NSおよびNS-BH合体からの動的噴出物およびBH-トーラス系からの定常的ディスク噴出物を、天体物理的条件として用いる流体力学的シミュレーションを実施する。
• これらの流体力学的出力に対して、14種の異なる核モデル（核質量、ベータ壊変率、崩壊断面積、放射性中性子捕獲率）を用いて、完全な核反応ネットワークを後処理で解く。
• r過程の流れと最終生成物に与える影響を評価するために、放射性中性子捕獲率を計算する2つのフレームワークを用いる。
• 崩壊熱は、ベータ壊変、アルファ壊変、および崩壊の寄与の合計から計算され、光曲線モデリングにおいて熱化効率を考慮する。
• 各核モデルからの予測されたTh/U比を用いて、宇宙計測年齢を推定し、異なる星やモデル間で結果を比較する。
• 感度解析は、個々の軌道および150～300個の軌道のアンサンブルの両方に対して実施し、統計的平均化の役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 体系的核性質の不確実性が、連星合体からの動的およびディスク噴出物におけるr過程元素の生成分布に与える影響は何か？
• RQ2 核不確実性が、合体噴出物における初期および後期の崩壊加熱率に与える影響は何か？
• RQ3 崩壊断面積の変動が、後期の崩壊加熱および核入力への感受性に与える影響は何か？
• RQ4 Th/U比に基づく宇宙計測年齢推定値が、核モデルの選択にどれほど依存するか？
• RQ5 単一軌道と多数の軌道アンサンブルを用いる場合の、核不確実性の定量化に与える影響は何か？

主な発見

• 核モデルの違いによるr過程生成物（A > 90）の影響は限定的であり、最大で要因20の範囲で変動する。
• 初期の崩壊加熱率は最大で要因2の影響を受けることから、初期段階では核入力への感受性が比較的低いことが示された。
• 後期の崩壊加熱は、エネルギー生成において崩壊が支配的であるため、核不確実性に著しく敏感である。
• 6つの金属不足星の宇宙計測年齢推定値は、使用する核モデルによって最大2 Gyrの差を示し、年齢推定における大きな不確実性が浮き彫りになった。
• 単一軌道を用いる場合、150～300個の軌道アンサンブルを用いる場合と比較して、核入力への感受性がはるかに高いことが判明し、アンサンブル平均化が表面的な不確実性を低減することが示された。
• 特定の核種や反応が不確実性の主因を占めるのではなく、複数の核性質にわたる体系的相関が、分離困難な集団的効果を生じさせている。