[논문 리뷰] Impact of systematic nuclear uncertainties on composition and decay heat of dynamical and disk ejecta in compact binary mergers

I. Kullmann, S. Goriely외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 15.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 밀도 높은 별의 핵융합 반응에서 질량, 베타 붕괴율, 분열 성질, 중성자 포획 단면적 등 체계적 핵불확실성의 영향을 동역학적 및 디스크 분출물에서의 r-과정 핵형성과 붕괴열에 미치는 영향을 조사한다. 14종의 핵모델과 유체역학 시뮬레이션을 사용하여, 초기 붕괴열은 최대 2배 이내로 영향을 받는 데 그치지만, 후기 시기의 열은 분열 기여도에 매우 민감하며, 핵불확실성이 우주화학 연대 측정에 최대 2 Gyr의 영향을 미친다.

ABSTRACT

Theoretically predicted yields of elements created by the rapid neutron capture (r-) process carry potentially large uncertainties associated with incomplete knowledge of nuclear properties and approximative hydrodynamical modelling of the matter ejection processes. We present an in-depth study of the nuclear uncertainties by varying theoretical nuclear input models that describe the experimentally unknown neutron-rich nuclei. This includes two frameworks for calculating the radiative neutron capture rates and 14 different models for nuclear masses, $β$-decay rates and fission properties. Our r-process nuclear network calculations are based on detailed hydrodynamical simulations of dynamically ejected material from NS-NS or NS-BH binary mergers plus the secular ejecta from BH-torus systems. The impact of nuclear uncertainties on the r-process abundance distribution and the early radioactive heating rate is found to be modest (within a factor of $\sim20$ for individual $A>90$ abundances and a factor of 2 for the heating rate). However, the impact on the late-time heating rate is more significant and depends strongly on the contribution from fission. We witness significantly larger sensitivity to the nuclear physics input if only a single trajectory is used compared to considering ensembles of $\sim$200-300 trajectories, and the quantitative effects of the nuclear uncertainties strongly depend on the adopted conditions for the individual trajectory. We use the predicted Th/U ratio to estimate the cosmochronometric age of six metal-poor stars and find the impact of the nuclear uncertainties to be up to 2 Gyr.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 별의 합성에서 동역학적 및 디스크 분출물의 r-과정 생성물 분포와 붕괴열에 체계적 핵불확실성이 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 질량, 베타 붕괴율, 분열 성질, 중성자 포획율 등의 핵입력 모델 변화가 핵형성 결과에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 후기 시기 붕괴열과 우주화학 연대 측정 연도 추정치가 핵물리학적 불확실성에 얼마나 민감한지 정량화하기 위해.
• 단일 궤적과 앙상블 기반 시뮬레이션의 영향을 비교하여 핵불확실성 전파에 대한 영향을 평가하기 위해.
• 우주물리학적 예측에서 주요 불확실성을 유발하는 핵입력을 규명함으로써 r-과정 모델링의 신뢰도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 연구는 중성자별-중성자별 및 중성자별-흑구 블랙홀 병합에서 발생하는 동역학적 분출물과 블랙홀-토르스 시스템에서의 장기적 디스크 분출물을 천체물리적 조건으로 사용한다.
• 이 유체역학적 출력 자료를 기반으로 후처리 방식으로 14종의 다른 핵모델(질량, 베타 붕괴율, 분열 성질, 복사 중성자 포획율 포함)을 적용한 완전한 핵반응 네트워크를 해결한다.
• 복사 중성자 포획율 계산을 위한 두 가지 프레임워크를 사용하여 r-과정 흐름과 최종 수확량에 미치는 영향을 평가한다.
• 붕괴열은 베타 붕괴, 알파 붕괴, 분열 기여도의 합으로 계산되며, 열화학적 효율성은 빛의 곡선 모델링에 고려된다.
• 각 핵모델에서 예측한 Th/U 비율을 사용하여 우주화학 연대를 추정하고, 다양한 별과 모델 간 결과를 비교한다.
• 감도 분석은 개별 궤적과 150~300개의 궤적 앙상블을 모두 대상으로 수행하여 통계적 평균의 역할을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 체계적 핵성질 불확실성이 밀도 높은 별 병합에서 발생하는 동역학적 및 디스크 분출물의 r-과정 생성물 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 핵불확실성이 병합 분출물의 초기 및 후기 시기 붕괴열율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 분열 성질의 변화가 후기 시기 붕괴열과 핵입력에 대한 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Th/U 비율 기반 우주화학 연대 측정 연도 추정치가 핵모델 선택에 얼마나 의존하는가?
• RQ5 단일 궤적 대비 대규모 궤적 앙상블 사용이 핵불확실성 정량화에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 핵불확실성이 개별 r-과정 생성물(A > 90)에 미치는 영향은 제한적이며, 다양한 핵모델 간 최대 20배 이내로 변동한다.
• 초기 붕괴열율은 최대 2배 이내로 영향을 받으며, 초기 단계에서 핵입력에 상대적으로 낮은 민감도를 보인다.
• 후기 시기 붕괴열은 핵불확실성에 매우 민감하며, 특히 에너지 생산에서 분열의 지배적 역할 덕분이다.
• 6개의 금속 농도가 낮은 별의 우주화학 연대 추정치는 사용된 핵모델에 따라 최대 2 Gyr의 범위로 변동하며, 연령 추정의 상당한 불확실성을 시사한다.
• 단일 궤적을 사용할 경우 핵입력에 대한 민감도는 앙상블(150~300개 궤적) 대비 훨씬 높으며, 이는 앙상블 평균이 명백한 불확실성을 감소시킨다는 것을 의미한다.
• 특정 핵종이나 반응 하나가 불확실성의 주요 원인이 되는 것이 아니라, 다수의 핵성질 간 체계적 상관관계가 복합적 영향을 미쳐 고립하기 어려운 효과를 유도한다.