[论文解读] Dynamical ejecta of neutron star mergers with nucleonic weak processes I: Nucleosynthesis

I Kullmann, S. Goriely+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 101被引用 52

一句话总结

本研究探讨了核子弱过程——特别是中微子相互作用——对中子星并合动力喷射物中r-过程核合成与放射性加热的影响。利用包含自洽中微子输运的先进流体动力学模拟（ILEAS框架），结果表明，中微子驱动的电子分数演化可产生与太阳相似的r-过程核素丰度分布，直至A ≈ 90，且具有显著的锶（Sr）富集与较弱的锕系元素产量，该结果与方程态或质量不对称性无关。

ABSTRACT

We present a coherent study of the impact of neutrino interactions on the r-process element nucleosynthesis and the heating rate produced by the radioactive elements synthesised in the dynamical ejecta of neutron star-neutron star (NS-NS) mergers. We have studied the material ejected from four NS-NS merger systems based on hydrodynamical simulations which handle neutrino effects in an elaborate way by including neutrino equilibration with matter in optically thick regions and re-absorption in optically thin regions. We find that the neutron richness of the dynamical ejecta is significantly affected by the neutrinos emitted by the post-merger remnant, in particular when compared to a case neglecting all neutrino interactions. Our nucleosynthesis results show that a solar-like distribution of r- process elements with mass numbers $A \gtrsim 90$ is produced, including a significant enrichment in Sr and a reduced production of actinides compared to simulations without inclusion of the nucleonic weak processes. The composition of the dynamically ejected matter as well as the corresponding rate of radioactive decay heating are found to be rather independent of the system mass asymmetry and the adopted equation of state. This approximate degeneracy in abundance pattern and heating rates can be favourable for extracting the ejecta properties from kilonova observations, at least if the dynamical component dominates the overall ejecta. Part II of this work will study the light curve produced by the dynamical ejecta of our four NS merger models.

研究动机与目标

• 评估核子弱过程（中微子吸收与发射）对中子星并合动力喷射物中r-过程核合成的影响。
• 确定中微子相互作用如何改变电子分数（Ye），从而影响喷射物的最终成分，与忽略弱过程的模拟进行对比。
• 评估在不同方程态（DD2、SFHo）与质量不对称性（1.35–1.35 M⊙ 与 1.25–1.45 M⊙）下，核合成产物与加热速率的鲁棒性。
• 探讨对千新星光曲线及从观测数据中可探测喷射物性质的潜在影响。
• 评估自由中子与裂变链在晚期加热与辐射中的作用。

提出的方法

• 采用四组三维、广义相对论流体动力学模拟，研究不同质量比与方程态（DD2与SFHo）的中子星-中子星并合。
• 应用ILEAS（刚性问题的隐式拉格朗日-欧拉方法）框架，模拟物质与中微子的相互作用，包括在光学厚区域的中微子平衡与在光学薄区域的再吸收。
• 通过弱相互作用追踪电子分数（Ye）的时间演化：νe + n ⇌ p + e⁻ 与 ḡνe + p ⇌ n + e⁺。
• 利用流体动力学模拟的最终热力学轨迹进行后处理核合成计算，以确定同位素丰度。
• 计算r-过程核素的放射性衰变加热速率，包括β衰变、自发裂变（如²⁵⁴Cf）与α衰变链的贡献。
• 分析核合成与加热对初始条件（包括质量不对称性与方程态）的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 核子弱过程——特别是中微子吸收与发射——如何影响中子星-中子星并合中动态喷射物质的电子分数（Ye）？
• RQ2 由此产生的r-过程核合成产物为何？特别是对与太阳相似的丰度分布、锶、稀土元素与锕系元素的生成有何影响？
• RQ3 最终丰度与加热速率在多大程度上对双星系统的方程态或质量不对称性变化不敏感？
• RQ4 包含弱过程后，裂变链与α衰变链对晚期放射性加热的贡献有何变化？
• RQ5 残余自由中子与弱过程修饰的成分会引发何种可观测特征（如光曲线特征、X射线发射）？

主要发现

• 包含核子弱过程后，动力喷射物的电子分数（Ye）显著提升，从<0.1升至约0.3–0.4，尤其在极区，主要由于中微子吸收。
• 由此产生的r-过程核合成在质量数A ≥ 90的元素中产生与太阳相似的丰度分布，且锶（Sr）显著富集，与忽略弱过程的模拟形成鲜明对比。
• 与无中微子相互作用的模型相比，锕系元素（如铀与锎）的产量显著降低，原因在于中子丰度减少。
• 尽管初始条件存在差异，所有四组模型的最终丰度分布与加热速率均极为相似，表明其对方程态与质量不对称性具有近似退化性。
• 加热速率在并合后约10分钟、7小时与30天时对初始Ye最为敏感，主要源于残留r-核素的β衰变，当包含弱过程时，自发裂变与α衰变链的贡献减少。
• 即使在包含弱过程的情况下，高速膨胀的喷射层仍保留可观测的自由中子比例，可能贡献于晚期X射线发射，并在千新星光曲线中留下可探测的特征。