[논문 리뷰] The fate of a neutron star just below the minimum mass: does it explode?

Kohsuke Sumiyoshi, S. Yamada외 2명|arXiv (Cornell University)|1997. 07. 21.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 4인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 일반 상대성 이론 수치역학적 유체역학 시뮬레이션을 통해 최소 안정 질량 이하의 약간 낮은 질량을 가진 중성자성별의 운명을 조사한다. 이는 약 20초 동안 느린 베타 붕괴에 의해 준정적 팽창을 겪은 후에 폭발적인 붕괴가 발생하며, 이는 약 10⁴⁹ erg의 운동에너지와 약 10⁵² erg/s의 피크 반중성자별 복사원도를 동반한다. 이 조건은 r-과정 핵합성에 유리한 환경을 조성한다.

ABSTRACT

First results of numerical simulations are presented which compute the dynamical evolution of a neutron star with a mass slightly below the minimum stable mass by means of a new implicit (general relativistic) hydrodynamic code. We show that such a star first undergoes a phase of quasi-static expansion, caused by slow nuclear $β$-decays, lasting for about 20 seconds, but then explodes violently. The kinetic energy of the explosion is around $10^{49} erg$, the peak luminosity in electron anti-neutrinos is of order $10^{52} erg/s$, and the thermodynamic conditions of the expanding matter are favorable for r-process nucleosynthesis. These results are obtained for the Harrison-Wheeler equation of state and a simple and, possibly, unrealistic treatment of $β$-decay rates and nuclear fission, which were adopted for comparison with previous works. However, we do not expect that the outcome will change qualitatively if more recent nuclear input physics used. Although our study does not rely on a specific scenario ofhow a neutron star starting from a bigger (and stable) masscan reach the dynamical phase, we assume that the final mass-loss event happens on a very short time scale, i.e., on a time scale shorter than a sound-crossing time, by removing a certain amount of mass as an initial perturbation. This assumption implies that the star has no time to adjust its nuclear composition to the new mass mass through a sequence of quasi-equilibria. In the latter case, however, there exists no stable configuration below the minimum mass, because the equation of state of fully catalyzed matter is too soft. Therefore, the dynamics of the explosion will not be too different from what have obtained if different initial perturbations are assumed.

연구 동기 및 목표

• 최소 안정 질량 이하의 질량을 가진 중성자성별의 동역학적 진화를 규명하는 것.
• 이러한 별이 중력 붕괴가 아니라 핵불안정성으로 인해 폭발하는지 조사하는 것.
• 느린 핵 베타 붕괴와 질량 손실이 폭발적 역학을 유도하는 데 미치는 영향을 평가하는 것.
• 확장하는 물질의 배출물에서 r-과정 핵합성의 잠재력을 평가하는 것.
• 핵물리학에 대한 다양한 초기 편향과 가정에 대해 폭발 결과의 강인성(로버스트함)을 검토하는 것.

제안 방법

• 중성자성별의 동역학적 진화를 시뮬레이션하기 위해 새로운 암묵적 일반 상대성 이론 유체역학 코드를 사용하였다.
• 밀도가 높은 물질의 상태방정식으로 Harrison-Wheeler 상태방정식을 사용하였다.
• 이전 연구와의 비교를 위해 베타 붕괴 속도와 핵분열에 대한 단순화되고 비물리적인 처리 방법을 적용하였다.
• 준정적 평형 조정을 방지하기 위해 음파 교차 시간스케일보다 짧은 질량 손실 편향을 초기 조건으로 설정하였다.
• 시간에 따른 열역학적 변수, 중성자별 복사원도, 운동에너지의 진화를 추적하였다.
• 확장하는 물질 내 열역학적 조건을 분석하여 핵합성 잠재력을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 안정 질량 이하의 질량을 가진 중성자성별은 동역학적으로 어떻게 되는가?
• RQ2 느린 핵 베타 붕괴가 기존에 불안정한 중성자성별에서 폭발적인 붕괴를 유도할 수 있는가?
• RQ3 이러한 폭발의 에너지 수준과 중성자별 복사원도 특징은 무엇인가?
• RQ4 배출물 내 조건이 r-과정 핵합성에 유리한가?
• RQ5 결과는 초기 편향이나 핵물리학 입력에 대해 얼마나 민감한가?

주요 결과

• 중성자성별은 폭발로 이어지는 약 20초간의 준정적 팽창 단계를 느린 핵 베타 붕괴에 의해 겪은 후에 폭발한다.
• 폭발은 약 10⁴⁹ erg의 운동에너지 방출을 동반하며, 핵붕괴 초신성 유사한 사건과 일치한다.
• 피크 반중성자별 복사원도는 약 10⁵² erg/s에 도달하여 폭발 기간 동안 강력한 중성자별 방출이 일어남을 시사한다.
• 확장하는 배출물 내 열역학적 조건은 r-과정 핵합성에 유리하다.
• 부드러운 상태방정식으로 인해 최소 질량 이하에서는 안정된 구조가 존재하지 않기 때문에, 초기 편향의 세부 사항에 대해 결과가 강인하다.
• 더 현실적인 핵물리학 입력 조건이 적용되어도 결과의 정성적 특성은 그대로 유지될 것으로 예상된다.