[论文解读] Contribution of collapsars, supernovae, and neutron star mergers to the evolution of r-process elements in the Galaxy

Yuta Yamazaki, Toshitaka Kajino+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究通过核心坍缩超新星（CCSNe）、中子星并合（NSMs）和恒星坍缩（collapsars）作为天体物理来源，模拟了银河系r过程元素的化学演化。研究发现，由于时标较短，CCSNe和collapsars主导了早期r过程的产生；而NSMs由于固有的延迟特性，即使在[Fe/H] ≥ -1.5时，对太阳r过程丰度的贡献也低于1%，这是由于不可避免的并合时标分布所致。

ABSTRACT

We study the evolution of rapid neutron-capture process (r-process) isotopes in the Galaxy. We analyze relative contributions from core collapse supernovae (CCSNe), neutron star mergers (NSMs) and collapsars under a range of astrophysical conditions and nuclear input data. Although the r-process in each of these sites can lead to similar (or differing) isotopic abundances, our simulations reveal that the early contribution of r-process material to the Galaxy was dominated by CCSNe and collapsar r-process nucleosynthesis, while the NSM contribution is unavoidably delayed even under the assumption of the shortest possible minimum merger time.

研究动机与目标

• 确定核心坍缩超新星（CCSNe）、中子星并合（NSMs）和恒星坍缩（collapsars）对r过程元素在银河系化学演化中相对贡献的量化。
• 通过识别在早期银河系活跃但在高金属度下衰减的来源，解决r过程丰度模式之间的差异。
• 评估多个具有不同同位素产额的天体物理场所是否能够解释r过程元素丰度模式的普遍性。
• 在考虑现实并合时标分布的前提下，量化NSM相对于CCSNe和collapsars的贡献在时间与金属度依赖性上的表现。
• 识别同位素丰度模式作为区分r过程场所的关键判据，特别是对锕系元素和轻r过程元素。

提出的方法

• 将广泛使用的银河系化学演化（GCE）模型进行改进，纳入四种来源的r过程产额：CCSNe中的中微子驱动喷流（NDW）和磁流体动力学驱动喷流（MHDJ）、NSMs以及collapsars。
• 采用时间依赖的GCE框架，其银河系吸积率呈指数衰减（时间常数为4 Gyr），与分层星系形成模型一致。
• 通过恒星形成、核合成、抛射物混合以及后续恒星形成的循环，模拟星际介质（ISM）成分的演化。
• 探索了广泛的核物理输入参数空间（例如，对称与非对称裂变碎片分布）和天体物理条件（例如，最小并合时标τg = 1–100 Myr）。
• 追踪质量数A和金属度[Fe/H]随时间变化的同位素丰度演化，并将模型预测与贫金属晕星和太阳系的观测结果进行比较。
• 利用观测到的r过程元素丰度模式普遍性（例如，Z ≈ 52、66、78处的峰值）作为约束，以验证不同天体物理场所之间模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CCSNe、NSMs和collapsars对早期银河系中r过程元素丰度模式的相对贡献是什么？
• RQ2 尽管存在场所特异的同位素变异，为何r过程丰度模式在贫金属晕星和太阳系中表现出普遍性？
• RQ3 考虑到双星并合时标导致的固有延迟，NSMs对太阳r过程组成的贡献程度如何？
• RQ4 collapsar、NSM和CCSNe的r过程场所之间，同位素丰度模式——特别是锕系元素和轻r过程元素（Z < 42）——有何差异？
• RQ5 能否通过一个早期活跃但随金属度升高而衰减的场所，解释[Fe/H] ≈ -1处r过程元素相对于铁的减少现象？

主要发现

• CCSNe和collapsars主导了银河系早期r过程元素的产生，其中collapsars由于其大质量前身星寿命极短，从一开始就作出了显著贡献。
• 中子星并合（NSMs）由于形成时双星间距分布的特性而具有固有的延迟，即使在最乐观的假设下，其有效并合时标在宇宙学尺度上也极长。
• 无论假设的最小并合时标如何（τg = 1–100 Myr），NSM对太阳r过程组成的贡献在金属度达到[Fe/H] ≥ -1.5之前始终低于1%。
• collapsar r过程因极端的中子丰富性，导致锕系元素显著增强，与观测到的锕系元素增强星一致，为关键的观测判据。
• 不同场所的同位素丰度模式存在显著差异：collapsars在整个质量范围内表现出明显的奇偶效应，而NSMs和collapsars由于冻结out期间的高剩余中子通量，使丰度峰向更重质量移动。
• 观测到的元素丰度模式普遍性（例如，Te、Os处的峰值及稀土元素峰）在各类模型中均得以保持，但质量分布（A-丰度模式）的细节结构取决于各场所的相对贡献，使其成为探测主导r过程场所的敏感探针。