[论文解读] Ejecting the envelope of red supergiant stars with jets launched by an inspiraling neutron star

Oded Papish, Noam Soker+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 6被引用 4

一句话总结

本文提出，一颗中子星在螺旋进入红超巨星的包层和核心时喷射的喷流，可将恒星的外层和核心物质抛射出去，从而阻止Thorne–Żytkow天体（TZO）的形成，并提供一个罕见的强r-过程核合成场所。喷流反馈机制可抛射约0.01–0.1 M⊙的物质，r-过程元素在中子星附近中子丰富的喷流中形成，随后经历激波加热。

ABSTRACT

We study the properties of jets launched by a neutron star spiralling inside the envelope and core of a red supergiant. We propose that Thorne-Zytkow objects (TZO) are unlikely to be formed via common envelope (CE) evolution if accretion on to the neutron star can exceed the Eddington rate with much of the accretion energy directed into jets that subsequently dissipate within the giant envelope. We use the jet-feedback mechanism, where energy deposited by the jets drives the ejection of the entire envelope and part of the core, and find a very strong interaction of the jets with the core material at late phases of the CE evolution. Following our results we speculate on two rare processes that might take place in the evolution of massive stars. (1) Recent studies have claimed that the peculiar abundances of the HV2112 RSG star can be explained if this star is a TZO. We instead speculate that the rich-calcium envelope comes from a supernova explosion of a stellar companion that was only slightly more massive than HV2112, such that during its explosion HV2112 was already a giant that intercepted a relatively large fraction of the SN ejecta. (2) We raise the possibility that strong r-process nucleosynthesis, where elements with high atomic weight of $A \ga 130$ are formed, occurs inside the jets that are launched by the NS inside the core of the RSG star.

研究动机与目标

• 研究在中子星螺旋进入过程中，其喷流是否能将红超巨星的包层和核心全部抛射，从而阻止Thorne–Żytkow天体（TZO）的形成。
• 探讨中子星与核心相互作用期间喷射的喷流是否可作为强r-过程核合成的场所，特别是对质量数A ≳ 130的元素。
• 评估喷流反馈在大质量双星共同包层演化过程中对吸积的调节作用及其对质量抛射的驱动作用。
• 将HV2112中异常的钙同位素丰度与超新星抛射物拦截情景相协调，而非归因于TZO状态。
• 在抖动喷流模型下，统一喷流驱动的超新星爆发与r-过程核合成。

提出的方法

• 采用喷流反馈机制（Soker et al., 2013）模拟喷流向巨星包层和核心的能量沉积，以调节吸积并驱动抛射。
• 应用流体动力学模拟估算喷流能量沉积与质量抛射，特别关注在r ≈ 0.1 R⊙处与核心的后期相互作用。
• 基于吸积盘形成与喷流发射，估算中子星与核心相互作用期间总喷流质量抛射约为0.01–0.1 M⊙。
• 将CE-NS喷流与核心塌缩超新星中的磁流体动力学（MHD）喷流（Winteler et al., 2012）进行比较，重点关注低熵、中子丰富的喷流，这些条件有利于r-过程。
• 利用Cameron（2001）和Papish & Soker（2012）的模型评估核合成潜力，假设r-过程发生在激波前、喷流内层区域，尚未经历激波加热。
• 考虑中微子冷却在螺旋进过程中对高吸积率和喷流形成的支持作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在共同包层演化过程中，中子星喷流是否能将红超巨星的整个包层和核心抛射，从而阻止TZO形成？
• RQ2 中子星喷流与核心物质的相互作用是否足够强，能将外层核心区域解绑？抛射的质量是多少？
• RQ3 中子星在红超巨星核心内部喷射的喷流中，是否可能发生强r-过程核合成（A ≳ 130）？在何种条件下？
• RQ4 与标准核心塌缩超新星喷流相比，CE-NS喷流中的r-过程产额如何，特别是在中微子光度与中子丰富度方面？
• RQ5 该过程的稀有性是否可解释金属贫乏恒星中观测到的重r-过程元素丰度大离散度？

主要发现

• 在共同包层演化过程中，中子星喷流可将整个包层和核心的显著部分抛射，使TZO形成变得极不可能。
• 在中子星与核心相互作用期间，约有0.01–0.1 M⊙的物质被喷流抛射，外层核心因强烈的喷流-核心相互作用而被解绑。
• r-过程可在中子星附近喷流的内层、未经历激波加热的区域发生，这些区域温度较低且中子丰富。
• 这些喷流中的总r-过程产额可达约0.01 M⊙，足以解释金属贫乏恒星中观测到的重r-过程元素丰度。
• NS-核心并合环境中的低中微子光度有利于形成中子丰富的喷流，从而增强强r-过程元素（A ≳ 130）的生成。
• 该过程的稀有性（估计约为核心塌缩超新星速率的1%）与早期银河系恒星中r-过程元素丰度的大离散度相符。