[論文レビュー] Measuring the contribution of neutron star-black hole mergers to the production of heavy metals

Hsin-Yu Chen, S. Vitale+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、重力波データ、更新された中性子星状態方程式、および高度な数値シミュレーションを用いて、中性子星-ブラックホール（NSBH）合体がr過程元素の生成に果たす寄与を調査している。その結果、NSBH合体は局所的なr過程元素の最大77％を生成するとされるが、ブラックホールのスピンが小さい場合には35％に低下し、低質量ブラックホールがまれな場合には無視できるほど小さくなる。

ABSTRACT

The origin of the heavy elements in the Universe is not fully determined. Neutron star-black hole (NSBH) and neutron star-neutron star mergers may both produce heavy elements via rapid neutron-capture process (r-process). We use the recent detection of gravitational waves from NSBHs, improved measurements of neutron star equation-of-state, and the most modern numerical simulations of the ejected materials from binary collisions to investigate the production of heavy elements from binary mergers. As the amount of ejecta depends on the mass and spin distribution of compact objects, as well as on the equation-of-state of neutron stars, we consider various models for these quantities, informed by gravitational-wave and pulsar data. We find that even in the most favorable model, neutron star-black hole mergers are unlikely to account for more than 77% of the r-process elements in the local Universe. If black holes have preferentially small spins, this bound decreases to 35%. Finally, if black hole spins are small and there is a dearth of low mass ($<5M_{\odot}$) black holes in NSBH binaries, the NSBH contribution to r-process elements is negligible.

研究の動機と目的

• 宇宙における重いr過程元素の合成に、中性子星-ブラックホール（NSBH）合体が果たす寄与を特定すること。
• ブラックホールのスピン、中性子星の状態方程式、質量関数の不確実性が、r過程元素の生成量に与える影響を評価すること。
• NSBH合体が、局所宇宙における観測されたr過程元素の顕著な割合を説明できるかどうかを評価すること。
• NSBH合体が重元素生成において中性子星-中性子星合体と比較して果たす役割を制約すること。

提案手法

• 最近のNSBH合体の重力波観測結果を活用し、これらの系におけるブラックホールの質量およびスピン分布を制約した。
• パulsarタイミングおよび重力波観測からの最新の測定結果を用いて、中性子星構造をモデル化するための中性子星状態方程式を更新した。
• 質量、スピン、状態方程式依存性を考慮した、二重星合体からの噴出物の最先端数値シミュレーションを適用した。
• ブラックホールの質量およびスピン分布、および中性子星の状態方程式のモデルを変化させることで、噴出物質量およびr過程生成量の多様な可能性を調査した。
• 1回の合体イベントあたりのr過程元素生成量を計算し、局所的な宇宙における重い元素の豊度にスケーリングした。
• 統計的推論を用いて、さまざまな天体物理学的仮定のもとで、NSBH合体が寄与できるr過程元素の最大割合を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NSBH合体が局所宇宙におけるr過程元素の生成に果たせる最大の寄与はどれほどか？
• RQ2 ブラックホールのスピン分布が、NSBH合体からの噴出物質量およびr過程生成量にどのように影響するか？
• RQ3 NSBH系に低質量ブラックホール（＜5M☉）が存在しない場合、r過程元素生成へのNSBH合体の寄与にどのような影響があるか？
• RQ4 更新された中性子星状態方程式および重力波データは、NSBH合体からの噴出物質量にどのように制限を加えるか？
• RQ5 どのような天体物理学的条件下で、NSBH合体がr過程元素の主な源となる可能性があるか？

主な発見

• 最も楽観的なモデルでも、NSBH合体は局所宇宙におけるr過程元素の最大77％しか生成できない。
• ブラックホールのスピンが小さくなる傾向にある場合、最大寄与率は全r過程元素生成量の35％に低下する。
• NSBH系に低質量ブラックホール（＜5M☉）がまれな場合、NSBH合体のr過程元素生成への寄与は無視できるほど小さくなる。
• NSBH合体からの噴出物質量は、ブラックホールのスピンおよび質量分布に強く依存しており、これがr過程生成量の推定に強く影響する。
• 結果から、楽観的な仮定のもとでも、NSBH合体がr過程元素の主な源である可能性は低いと示唆される。
• 本研究の結果は、NSBH合体が重元素の起源において中性子星-中性子星合体と比較して果たす役割を制約するものである。