[论文解读] Actinide-boosting r Process in Black Hole-Neutron Star Merger Ejecta

Shinya Wanajo, Sho Fujibayashi+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本研究首次基于自洽的长期中微子-辐射-磁流体动力学模拟，对黑洞-中子星并合喷射物中的核合成进行了分析。结果表明，动力学喷射物与并合后喷射物共同作用可重现类太阳r-过程核素模式，而锕系元素增强（表现为Th/Eu > 0.9）仅在动力学喷射物中电子分数Yₑ ≈ 0.05–0.08时实现，为核方程状态提供了关键约束。

ABSTRACT

We examine nucleosynthesis in the ejecta of black hole-neutron star mergers based on the results of long-term neutrino-radiation-magnetohydrodynamics simulations for the first time. We find that the combination of dynamical and post-merger ejecta reproduces a solar-like r-process pattern. Moreover, the enhancement level of actinides is highly sensitive to the distribution of both electron fraction and the velocity of the dynamical ejecta. Our result implies that the mean electron fraction of dynamical ejecta should be >~ 0.05 in order to reconcile the nucleosynthetic abundances with those in r-process-enhanced, actinide-boost stars. Since the tidal ejecta preserve the neutron-richness in the inner crust of pre-merging neutron stars, this result provides an important constraint for nuclear equations of state, if black hole-neutron star mergers are responsible for actinide-boost stars.

研究动机与目标

• 确定黑洞-中子星并合是否能够重现金属贫乏恒星中观测到的类太阳r-过程核素丰度模式。
• 研究在何种条件下可产生锕系元素增强的恒星（以Th/Eu比值增强为特征）。
• 确定匹配观测到的锕系元素增强所必需的动力学喷射物的电子分数（Yₑ）和速度结构。
• 测试r-过程产物对核性质（如β衰变速率和裂变再循环）的敏感性。
• 基于实现锕系元素增强所需的Yₑ范围，为核方程状态提供新的约束。

提出的方法

• 以Hayashi等（2022a,b）的黑洞-中子星并合自洽长期中微子-辐射-磁流体动力学模拟为基础，开展核合成建模。
• 从模拟输出中提取热力学轨迹（Yₑ、速度、质量），每种模型生成约1400个示踪粒子，用于后处理核合成计算。
• 应用rNET核反应网络代码沿每条轨迹计算r-过程核素丰度，整合HFB-21和GT2模型提供的裂变再循环与β衰变速率。
• 分析Th/Eu比值对Yₑ和喷射速度的依赖性，考虑热反馈及平衡中子俘获条件的影响。
• 将模拟的Th/Eu比值与130亿年前（13 Gyr前）锕系元素增强恒星（如CS 31082-001、J0954+5246）的观测值进行比较，并校正恒星年龄。
• 采用Q4B5H-DD2、Q4B5H-SFHo和Q6B5L-DD2等模型，结合不同方程状态（DD2、SFHo）与分辨率，评估结果的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞-中子星并合能否重现金属贫乏恒星中观测到的类太阳r-过程核素丰度模式？
• RQ2 在动力学喷射物中，电子分数（Yₑ）的何种范围可产生Th/Eu > 0.5恒星中观测到的锕系元素增强？
• RQ3 喷射物速度如何影响Th/Eu比值？这一效应能否解释锕系元素增强恒星中观测到的分散性？
• RQ4 锕系元素增强对核β衰变速率和裂变再循环模型的选择是否敏感？
• RQ5 在考虑观测不确定性的情况下，能否在黑洞-中子星并合框架内重现像J0954+5246这样的恒星中观测到的Th/Eu比值？

主要发现

• 黑洞-中子星并合中动力学喷射物与并合后喷射物的联合作用可重现类太阳r-过程核素模式，表明此类并合可作为银河系r-过程的来源。
• 仅当使用DD2方程状态且动力学喷射物中Yₑ ≈ 0.05–0.08时，才能实现锕系元素增强（Th/Eu > 0.9）。
• 采用SFHo方程状态的模型无法产生锕系元素增强，凸显结果对核方程状态的敏感性。
• 在固定Yₑ条件下，较慢的喷射物速度可产生更高的Th/Eu比值，原因是在r-过程中温度更高，导致r-过程路径向更重且易裂变的核素偏移。
• 若允许钍丰度存在0.2 dex的不确定性，观测到的最高Th/Eu比值（J0954+5246，≈0.76）与模拟结果一致。
• 动力学喷射物中Yₑ ≈ 0.05–0.08的要求为核方程状态提供了关键约束，尤其对高密度下对称能的性质具有重要意义。