[논문 리뷰] $r$-process Nucleosynthesis and Kilonovae from Hypermassive Neutron Star Remnants

Sanjana Curtis, Philipp Mösta외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 01.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 이원성우 병합에서 발생하는 초질량 중성자별(HMNS) 잔여물에 대한 최초의 3차원 일반상대론적 마그네토유체역학(GRMHD) 시뮬레이션을 제시하며, 라그랑주 추적입자와 SkyNet 핵반응 네트워크를 통해 r-과정 핵합성과 킬로노바 방출을 추적한다. 연구 결과, HMNS의 바람은 넓은 전자분율 분포(Ye ≈ 0.25–0.4)를 생성하며, 태양의 피크와 일치하지 않는 r-과정 생성물을 유도하고, 약 1일 이내에 적외선 영역에서 피크를 보이는 킬로노바를 일으킨다. J 및 H 대역에서 피크 등급은 약 18.3이다.

ABSTRACT

We investigate $r$-process nucleosynthesis and kilonova emission resulting from binary neutron star (BNS) mergers based on a three-dimensional (3D) general-relativistic magnetohydrodynamic (GRMHD) simulation of a hypermassive neutron star (HMNS) remnant. The simulation includes a microphysical finite-temperature equation of state (EOS) and neutrino emission and absorption effects via a leakage scheme. We track the thermodynamic properties of the ejecta using Lagrangian tracer particles and determine its composition using the nuclear reaction network $ exttt{SkyNet}$. We investigate the impact of neutrinos on the nucleosynthetic yields by varying the neutrino luminosities during post-processing. The ejecta show a broad distribution with respect to their electron fraction $Y_e$, peaking between $\sim$0.25-0.4 depending on the neutrino luminosity employed. We find that the resulting $r$-process abundance patterns differ from solar, with no significant production of material beyond the second $r$-process peak when using luminosities recorded by the tracer particles. We also map the HMNS outflows to the radiation hydrodynamics code $ exttt{SNEC}$ and predict the evolution of the bolometric luminosity as well as broadband light curves of the kilonova. The bolometric light curve peaks on the timescale of a day and the brightest emission is seen in the infrared bands. This is the first direct calculation of the $r$-process yields and kilonova signal expected from HMNS winds based on 3D GRMHD simulations. For longer-lived remnants, these winds may be the dominant ejecta component producing the kilonova emission.

연구 동기 및 목표

• . 논문은 이원성우 병합에서 발생하는 초질량 중성자별(HMNS) 잔여물이 GW170817에서 관측된 블루 킬로노바 성분을 생성할 수 있는지 여부를 규명하고자 한다.
• 중성자율에 의한 바람이 r-과정 핵합성 생성물과 분출물 조성에 미치는 영향을 조사한다.
• 실제로 동역학적으로 시뮬레이션된 분출물 특성에서 킬로노바 빛곡선과 스펙트럼 진화를 예측하고자 한다.
• AT2017gfo의 관측치와 비교하여 HMNS 바람이 분출질 질량, 속도 및 전자분율(Ye)을 통해 블루 킬로노바를 생성할 수 있는지 평가한다.
• 중성자율 빛의 세기 변화가 r-과정 생성물과 분출물의 투과도에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

제안 방법

• . 저자들은 마이크로물리적 유한온도 상태방정식과 중성자율 누출 기법을 사용하여, 3차원 일반상대론적 마그네토유체역학(GRMHD) 시뮬레이션을 수행하여 HMNS 잔여물의 특성을 분석한다.
• 라그랑주 추적입자를 사용하여 밀도, 온도 및 전자분율(Ye)을 포함한 분출물의 열역학적 특성을 추적한다.
• 핵반응 네트워크 SkyNet을 적용하여 추적입자 역사 기반으로 r-과정 핵합성 생성물을 계산한다.
• 분출물 특성을 방사수동역학 코드 SNEC에 매핑하여 볼로메트릭 빛세기와 광대역 빛곡선을 시뮬레이션한다.
• 시뮬레이션은 경사자기장과 함께 수행되었으며, HMNS를 21 ms 동안 진화시켜 자기장이 작용하는 중성자-rich 바람을 포착하였다.
• 후처리 단계에서 중성자율 빛세기를 다양하게 조정하여 Ye 및 핵합성에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 이원성우 병합에서 발생하는 초질량 중성자별(HMNS) 바람이 GW170817에서 관측된 블루 킬로노바 성분을 생성할 수 있는가?
• RQ2 HMNS 바람에서 유도되는 r-과정 핵합성 생성물은 무엇이며, 태양의 r-과정 피크와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 HMNS 분출물의 전자분율(Ye) 분포는 중성자율 빛세기와 동역학에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 HMNS에 의해 유도되는 분출물의 경우 예측되는 킬로노바 빛곡선 진화는 언제인지, 피크 시간과 피크 등급은 무엇인가?
• RQ5 HMNS 바람이 블루 킬로노바를 생성할 수 있는가, 아니면 란타니드 생성으로 인해 레드 킬로노바를 생성하는가?

주요 결과

• . HMNS 바람은 총 질량 약 5 × 10⁻³ M⊙를 분출하며, 속도는 약 0.1–0.3c에 이르며, 이는 블루 킬로노바 성분과 일치한다.
• 전자분율(Ye) 분포는 중성자율 빛세기에 따라 약 0.25에서 0.4 사이에 피크를 이룬다. 이는 블루 킬로노바 조건과 넓게 일치한다.
• r-과정 생성물 패턴은 뚜렷한 제3피크를 보이지 않으며, 태양의 r-과정 패턴과 다름을 보이며, 제2피크를 초과하는 상당한 생성물은 없다.
• 킬로노바 볼로메트릭 빛곡선은 약 1일 이내에 피크에 도달하며, 가장 밝은 방출은 적외선 J 및 H 대역에서 관측되며, 피크 등급은 약 18.3에 이른다.
• 피크 시 효과적 광학적 온도는 약 4000 K이며, 방출은 주로 r-과정 핵의 방사성 붕괴에 의해 주도된다.
• 더 오래 지속되는 잔여물(예: 100 ms)의 경우 총 분출질 질량은 약 10⁻² M⊙로 증가하여 더 밝은 킬로노바를 유도하지만, 스펙트럼 진화는 여전히 적외선 중심이다.