[논문 리뷰] Measuring the contribution of neutron star-black hole mergers to the production of heavy metals

Hsin-Yu Chen, S. Vitale외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 06.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 6인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 중성자별-블랙홀(NSBH) 병합이 r-과정 원소 생성에 기여하는 바를 중력파 데이터, 업데이트된 중성자별 상태방정식, 고도로 발전된 수치 시뮬레이션을 사용하여 조사한다. 연구 결과, NSBH 병합은 지역 r-과정 원소의 최대 77%를 생성할 가능성이 있으며, 블랙홀 스핀이 작을 경우 이 비율은 35%로 감소하고, 저질량 블랙홀의 존재가 희박할 경우 기여도는 무시할 만큼 작아진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 우주에서 무거운 r-과정 원소 합성에 대해 중성자별-블랙홀(NSBH) 병합의 기여도를 규명하는 것.
• 블랙홀 스핀, 중성자별 상태방정식, 질량 분포에 대한 불확실성이 r-과정 원소 수확에 어떻게 영향을 미치는지 평가하는 것.
• NSBH 병합이 지역 우주에서 관측된 r-과정 원소의 상당 부분을 설명할 수 있는지 평가하는 것.
• 중성자별-중성자별 병합과 비교해 NSBH 병합이 무거운 원소 생성에서 수행하는 역할을 제약하는 것.

제안 방법

• 최근의 NSBH 병합 중력파 탐지 결과를 바탕으로 이러한 시스템 내 블랙홀의 질량 및 스핀 분포를 제약하는 데 활용.
• 펄서 타이밍 및 중력파 관측으로부터 업데이트된 중성자별 상태방정식 측정치를 활용해 중성자별의 구조를 모델링.
• 질량, 스핀, 상태방정식 의존성까지 고려한 이중 병합에서의 물질 분출을 위한 최신 수치 시뮬레이션을 적용.
• 블랙홀 질량 및 스핀 분포, 중성자별 상태방정식의 다양한 모델을 변화시켜 분출 질량과 r-과정 수확의 범위를 탐색.
• 각 병합 사건당 총 r-과정 원소 생성량을 계산하고, 지역 천체물리적 농도에 비례하여 스케일링.
• 통계적 추론을 사용해 다양한 천체물리적 가정 하에서 NSBH 병합이 기여할 수 있는 최대 r-과정 원소 비율을 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지역 우주에서 NSBH 병합이 r-과정 원소 생성에 기여할 수 있는 최대 비율은 얼마인가?
• RQ2 블랙홀 스핀 분포는 NSBH 병합의 분출 질량에 어떻게 영향을 미치며, 이는 r-과정 수확에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 NSBH 시스템에서 저질량 블랙홀(<5M☉)이 희박할 경우, r-과정 원소 생성에 대한 NSBH 병합의 기여도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 업데이트된 중성자별 상태방정식과 중력파 데이터는 NSBH 병합의 분출 질량에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 어떤 천체물리적 조건에서 NSBH 병합이 r-과정 원소의 주요 원천이 될 수 있는가?

주요 결과

• 가장 유리한 모델에서도 NSBH 병합은 지역 우주에서 r-과정 원소의 최대 77%만 기여할 수 있다.
• 블랙홀 스핀이 작게 선호될 경우, 최대 기여 비율은 총 r-과정 원소 생성의 35%로 감소한다.
• NSBH 시스템에서 저질량 블랙홀(<5M☉)이 희박할 경우, NSBH 병합의 r-과정 원소 기여도는 무시할 만큼 작아진다.
• NSBH 병합의 분출 질량은 블랙홀 스핀과 질량 분포에 매우 민감하며, 이는 r-과정 수확 추정에 강력한 영향을 미친다.
• 결과적으로, 낙관적인 가정 하에서도 NSBH 병합이 r-과정 원소의 주요 원천이 될 가능성은 낮다.
• 이 연구 결과는 NSBH 병합이 무거운 원소 기원에서 중성자별-중성자별 병합과 비교해 수행하는 역할을 제약한다.