[论文解读] Fission and the r-process nucleosynthesis of translead nuclei

Samuel A. Giuliani, G. Martı́nez-Pinedo+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本研究探讨了在中子星并合过程中，核裂变如何影响超铅元素在r-过程中的合成。利用微观核数据，研究证明裂变循环显著改变了自由中子丰度，并影响了重核素的最终产量，从而塑造了与千新星光曲线相关的放射性能量产生。

ABSTRACT

We study the impact of fission on the production and destruction of translead nuclei during the r-process nucleosynthesis occurring in neutron star mergers. Abundance patterns and rates of nuclear energy production are obtained for different ejecta conditions using two sets of stellar reaction rates, one of which is based on microscopic and consistent calculations of nuclear masses, fission barriers and collective inertias. We show that the accumulation of fissioning material during the r process can strongly affect the free neutron abundance after the r-process freeze-out. This leads to a significant impact on the abundances of heavy nuclei that undergo $\alpha$ decay or spontaneous fission, affecting the radioactive energy production by the ejecta at timescales relevant for kilonova emission.

研究动机与目标

• 理解裂变过程如何影响中子星并合r-过程中超铅核素的生成与破坏。
• 评估裂变循环对r-过程冻结后自由中子丰度的影响。
• 评估裂变对重核素最终丰度分布的影响，特别是通过α衰变或自发裂变衰变的核素。
• 量化与千新星辐射 timescales 相关的放射性能量产生变化。

提出的方法

• 采用两组恒星反应速率，其中一组基于微观且一致的核质量、裂变势垒和集体惯性计算。
• 在不同喷射条件（包括温度、中子密度和冻结时间）下模拟r-过程核合成。
• 追踪核素丰度的演化，重点关注裂变核素及其循环再生为较轻核素的过程。
• 计算重核素衰变链产生的自由中子丰度和放射性能量产生。
• 比较有裂变和无裂变情景下的结果，以分离裂变的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中子星并合喷射物中，r-过程冻结后，裂变循环如何改变自由中子丰度？
• RQ2 裂变在多大程度上影响超铅核素的最终丰度分布，特别是那些经历α衰变或自发裂变的核素？
• RQ3 不同核反应速率集合（尤其是基于微观计算的集合）如何影响预测的r-过程产量？
• RQ4 裂变对驱动千新星光曲线的放射性能量产生有何影响？

主要发现

• 由于在重复裂变循环中释放中子，裂变循环显著降低了r-过程冻结后的自由中子丰度。
• 裂变物质的累积改变了重核素的最终丰度分布，尤其影响r-过程第二峰附近的核素。
• 裂变强烈影响通过α衰变或自发裂变衰变的核素的产量，从而改变其对放射性能量产生的贡献。
• 放射性衰变产生的能量输出受到显著影响，对千新星光曲线的建模具有重要意义。