[論文レビュー] Influence of new reaction rates on 18F production in novae

A. Coc, M. Hernanz+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2000

X-ray Spectroscopy and Fluorescence Analysis被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、古典的新星における nucleosynthesis のための最新の実験データを用いて、18F(p,γ)19Neおよび18F(p,α)15O反応率を再評価し、これらの反応率の不確実性が18F生成に顕著に影響することを示している。新しい反応率を組み込んだ流体力学的モデルは、古くからの値と比較して18Fの生成量が最大10倍も減少することを示しており、これは古典的新星の初期ガンマ線放射の予測に直接的な影響を及ける。

ABSTRACT

Gamma-ray emission from classical novae is dominated, during the first hours, by positron annihilation resulting from the beta decay of radioactive nuclei. The main contribution comes from the decay of 18F and hence is directly related to 18F formation during the outburst. A good knowledge of the nuclear reaction rates of production and destruction of 18F is required to study 18F synthesis in novae and the resulting gamma-ray emission. The rates relevant for the main mode of 18F destruction (i.e, through proton captures) have been the object of many recent experiments. However, subsequent analyses were focused on providing rates for X-ray burst nucleosynthesis not valid at nova temperatures (lower than 3.5 10^8 K). Accordingly, it is crucial to propose and discuss new reaction rates, incorporating all new experimental results, down to the domain of nova nucleosynthesis. We show that in this temperature regime, the 18F(p,gamma) and (p,alpha) reaction rates remain uncertain and deserve further experimental and theoretical efforts. Our hydrodynamic calculations including the new nuclear rates demonstrate that their impact on 18F synthesis in nova explosions is quite large and, consequently, the early gamma-ray emission from classical novae is also affected.

研究の動機と目的

• 古典的新星に特有の低温領域（X線バースト条件に基づいた過去の値とは異なる）における18F(p,γ)19Neおよび18F(p,α)15O反応率を再評価すること。
• 特に低エネルギー準位の寄与と尾部（tails）を含む最新の実験的データが、新星噴出時の18F合成に与える影響を定量すること。
• 流体力学的新星モデルに使用可能な、温度に適合した反応率（下限、代表値、上限）を提供すること。
• 見直された反応率が18Fの生成量に与える影響、およびそれによって生じる陽電子消失による511 keVガンマ線放射の予測に与える影響を評価すること。
• 最近のNACREコンパイラーおよび主要な陽子捕獲反応に関する最新の実験的制約を統合することで、核合成モデルの精度を向上させること。

提案手法

• 共鳴強度およびエネルギーに関する最新の実験データを用いて、反応率の数値的積分を実施。特に、過去に考慮されていなかった低エネルギー共鳴の尾部（例：19Neにおける38 keVおよび287 keV）を含めた。
• T9（GK単位）および対数温度依存性を用いた解析的反応率式を、温度依存性を有する反応率をモデル化するために構築。
• 直接測定された共鳴（330 keVおよび659 keV）に加え、19Neおよび19Fにおける準位構造に基づく仮説的または推定された共鳴の寄与を組み込んだ。
• 1.25 M⊙のONe新星モデル（降着率 2×10⁻¹⁰ M⊙/yr）に対して、SHIVAコードを用いた流体力学的シミュレーションを実施。18Fの生成は高温CNOサイクルに従って追跡した。
• ピーク温度に達した1時間後の18F生成量を、複数の反応率規定（WK82、Utkuら（1998）、CF88+Lan89、NACRE）および新しい下限・上限を用いて比較した。
• 18Fの半減期（158分）を用いて、最終的な18F質量分率と511 keVでの陽電子消失ガンマ線放射の強度を関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新たに測定された低エネルギー共鳴の寄与が、新星温度領域（T < 3.5×10⁸ K）における18F(p,γ)19Neおよび18F(p,α)15O反応率にどのように影響するか？
• RQ2 共鳴強度および尾部の不確実性が、古典的新星噴出時の予測される18F生成量にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 見直された反応率が、特に511 keV陽電子消失線に起因する初期ガンマ線放射に与える影響は何か？
• RQ4 本研究の新しい反応率は、過去の推定値（例：WK82、Utku ら（1998））およびNACREコンパイラーと比較して、大きさと不確実性の両面でどのように異なるか？
• RQ5 ONe新星における18F生成と破壊を支配する主要な核反応経路は何か？また、18F+p反応率の不確実性は、最終的な18F生成量にどの程度感度に依存するか？

主な発見

• 新星温度領域において、未測定または不確実性の高い低エネルギー共鳴およびその尾部の存在により、18F(p,γ)19Neおよび18F(p,α)15O反応率は依然として極めて不確実である。
• 19Neにおける38 keV共鳴の尾部を組み込むことで、低温領域における反応率が顕著に上昇し、これはUtku ら（1998）の研究では以前に無視されていた。
• 新しい反応率を組み込んだ流体力学的モデルでは、WK82の値と比較して18F生成量が10倍も減少しており、最終的な18F質量分率は2.80×10⁻³から最低2.98×10⁻⁶まで低下した。
• 本研究の代表値（9.78×10⁻⁵）は、Utku ら（1998）の値よりも顕著に低く、予測される18F合成量の大幅な見直しが必要であることを示している。
• NACREコンパイラーの結果は中間的な値を示し、推奨される反応率では4.84×10⁻⁵が得られ、これは過去の推定値が高めに評価されていた可能性を示唆している。
• これらの見直された反応率が初期ガンマ線放射に与える影響は顕著であり、18F生成量が511 keV線および連続放射の強度を直接決定するためである。