[论文解读] Coalescing Neutron Stars: A Solution to the R-Process Problem?

Stephan Rosswog, F.‐K. Thielemann+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 7

一句话总结

本文提出，基于3D牛顿SPH模拟，中子星双星并合是r-过程核合成的可行天体物理场所，模拟显示有大量物质被抛射并具备r-过程条件。计算得到的丰度分布与太阳r-过程峰位，特别是A ≈ 195附近，高度吻合，且无需对初始熵值进行微调，表明中子星并合可能解释了所有观测到的r-过程物质。

ABSTRACT

Recent calculations place questions on the ability of supernovae to produce r-process nuclei in the correct amounts. We present results from 3D Newtonian SPH calculations of mergers of equal mass neutron star binaries. We find the amounts of ejected mass to be very promising for an explanation of the observed r-process abundances. Preliminary abundance calculations show that practically all the material is subject to r-process conditions. The calculated abundance patterns reproduce the basic features of the solar r-process abundances very well. Especially the peak around A= 195 is easily reproduced without any tuning of the initial entropies. Thus, eventually all the observed r-process material could be explained by mass ejection during neutron star mergers.

研究动机与目标

• 研究中子星并合是否能够产生观测到的r-过程核合成丰度。
• 回应关于超新星作为主要r-过程场所的日益增长的怀疑，因其对重元素的产量不足。
• 评估中子星双星并合过程中的质量抛射在生成r-过程条件中的作用。
• 确定是否可在不微调初始参数的情况下重现观测到的太阳r-过程丰度模式，特别是质量数A ≈ 195处的峰值。

提出的方法

• 对等质量中子星双星并合进行了3D牛顿光滑粒子流体动力学（SPH）模拟。
• 模拟追踪了并合系统的动力学过程，包括冲击加热和并合期间的质量抛射。
• 通过分析抛射物质的熵和电子分数，评估其r-过程可行性。
• 对抛射质量进行丰度计算，以与太阳r-过程丰度模式进行比较。
• 模拟无需对初始熵值进行人为调整，即可重现A ≈ 195处的峰值。
• 将结果与观测到的太阳r-过程丰度进行对比，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星并合能否产生足够多的质量抛射，以解释银河系中观测到的r-过程核合成？
• RQ2 中子星并合抛射物质中的条件是否支持快速中子俘获过程（r-过程）？
• RQ3 模拟得到的r-过程丰度模式是否可在不调整初始熵值的情况下重现太阳r-过程在质量数A ≈ 195处的峰值？
• RQ4 中子星并合的质量抛射是否与r-过程元素的总观测丰度一致？
• RQ5 中子星并合是否可能是所有观测到的r-过程物质的主要来源？

主要发现

• 模拟产生了大量抛射质量，其条件有利于r-过程核合成。
• 几乎所有抛射物质均处于r-过程条件之下，表明效率极高。
• 计算得到的r-过程丰度模式与太阳r-过程丰度模式的基本特征高度吻合。
• 质量数A ≈ 195处的丰度峰值自然重现，无需对初始熵值进行任何调整。
• 结果表明，中子星并合可能是宇宙中所有观测到的r-过程物质的来源。