[논문 리뷰] Ejecting the envelope of red supergiant stars with jets launched by an inspiraling neutron star

Oded Papish, Noam Soker외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중성자별이 적색 초거성의 막대와 핵으로 빨려들면서 발생하는 제트가 별의 외부 대기권과 핵 물질을 제거하여, Thorne–Żytkow 물체(TZO) 형성 방지와 함께 강한 r-과정 핵합성의 희귀한 장소를 제공할 수 있다고 제안한다. 제트-피드백 메커니즘은 약 0.01–0.1 M⊙의 물질을 제거하며, r-과정 원소는 중성자별 근처의 중성자-rich 제트에서 충격 가열 이전에 형성된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 공통 막대 진화 중에 빨라지는 중성자별에서 발생하는 제트가 적색 초거성의 대기권과 핵을 제거하여 Thorne–Żytkow 물체(TZO) 형성 방지 여부를 조사하는 것.
• 중성자별-핵 상호작용 기간 동안 발생하는 제트가 강한 r-과정 핵합성의 장소로 가능한지, 특히 A ≳ 130인 원소에 대해 탐구하는 것.
• 공통 막대 진화 기간 동안 질량 제거와 순환 흡착 조절에 기여하는 제트-피드백의 역할 평가.
• HV2112의 특이한 칼슘 농도를 TZO 상태가 아닌 초신성 폭발 물질과의 간섭 시나리오로 설명하는 것.
• 진동하는 제트 모델 아래에서 제트 주도 초신성 폭발과 r-과정 핵합성을 통합하는 것.

제안 방법

• Soker 등(2013)의 제트-피드백 메커니즘을 사용하여 제트가 거대 별의 막대와 핵에 에너지를 전달하고, 순환 흡착을 조절하며 물질 제거를 이끌어내는 모델링.
• 유체역학 시뮬레이션을 적용하여 제트 에너지 전달과 질량 제거를 추정하며, 특히 핵과의 후기 상호작용 시 r ≈ 0.1 R⊙에서의 상호작용에 중점을 둔다.
• 흡착 디스크 형성과 제트 발생 기반으로 중성자별이 핵과 상호작용하면서 약 0.01–0.1 M⊙의 총 제트 질량 제거를 추정한다.
• Winteler 등(2012)의 핵붕괴 초신성에서의 MHD 제트와 비교하여, 낮은 엔트로피와 중성자-rich 유출이 r-과정에 유리한 조건을 제공하는지에 중점을 둔다.
• Cameron(2001)과 Papish & Soker(2012)의 모델을 사용하여 핵합성 잠재력을 평가하며, 충격 이전의 내부 제트에서 r-과정이 발생한다고 가정한다.
• 스피RAL-인 단계 동안 높은 흡착률과 제트 형성에 기여하는 중성자선 냉각의 역할을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공통 막대 진화 중에 중성자별이 발생시키는 제트가 적색 초거성의 전체 대기권과 핵을 제거하여 TZO 형성 방지가 가능한가?
• RQ2 중성자별 제트와 핵 물질 간의 상호작용이 외부 핵 영역을 해체할 정도로 강력한가? 그리고 얼마나 많은 질량이 제거되는가?
• RQ3 적색 초거성 핵 내부에 있는 중성자별에서 발생하는 제트에서 강한 r-과정 핵합성(A ≳ 130)이 발생할 수 있는가? 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ4 공통 막대-중성자별 제트의 r-과정 수율이 표준 핵붕괴 초신성 제트와 비교해 어떻게 다른가? 특히 중성자선 빛나는 정도와 중성자 농도 측면에서.
• RQ5 이 과정의 희귀성은 초기 은하 별에서 관측된 중량 원소 r-과정 원소 농도의 큰 산란을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 공통 막대 진화 중에 중성자별이 발생시키는 제트는 전체 대기권과 핵의 상당 부분을 제거하여 TZO 형성 가능성을 낮춘다.
• 중성자별이 핵과 상호작용하는 동안 약 0.01–0.1 M⊙의 물질이 제트에 의해 제거되며, 외부 핵 영역이 강력한 제트-핵 상호작용으로 해체된다.
• r-과정은 중성자별 근처의 내부 제트에서 충격 이전에 발생하며, 낮은 충격 후 온도와 중성자-rich 조건이 지속되는 영역에서 일어난다.
• 이 제트에서의 총 r-과정 수율은 약 0.01 M⊙까지 도달할 수 있으며, 금속 빈도가 낮은 별에서 관측된 무거운 r-과정 원소의 농도를 설명하는 데 충분하다.
• NS-핵 병합 환경에서 낮은 중성자선 빛나는 정도는 중성자-rich 유출을 유도하여 강한 r-과정 원소(A ≳ 130)의 생산을 증진시킨다.
• 이 과정의 희귀성(추정치 약 1%의 핵붕괴 초신성 빈도)은 초기 은하 별에서 관측된 r-과정 원소 농도의 큰 산란과 일치한다.