[论文解读] Impact of systematic nuclear uncertainties on composition and decay heat of dynamical and disk ejecta in compact binary mergers

I. Kullmann, S. Goriely+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本研究探讨了系统性核不确定性（尤其是质量、β衰变速率、裂变特性及中子俘获截面）对致密双星并合中动力学喷射物与盘状喷射物中r过程核合成及衰变加热的影响。基于14种核模型与流体动力学模拟，研究发现：尽管早期衰变加热仅受轻微影响（影响因子不超过2），但晚期待机加热对裂变贡献极为敏感，核不确定性可导致宇宙年代学年龄估计偏差高达20亿年。

ABSTRACT

Theoretically predicted yields of elements created by the rapid neutron capture (r-) process carry potentially large uncertainties associated with incomplete knowledge of nuclear properties and approximative hydrodynamical modelling of the matter ejection processes. We present an in-depth study of the nuclear uncertainties by varying theoretical nuclear input models that describe the experimentally unknown neutron-rich nuclei. This includes two frameworks for calculating the radiative neutron capture rates and 14 different models for nuclear masses, $β$-decay rates and fission properties. Our r-process nuclear network calculations are based on detailed hydrodynamical simulations of dynamically ejected material from NS-NS or NS-BH binary mergers plus the secular ejecta from BH-torus systems. The impact of nuclear uncertainties on the r-process abundance distribution and the early radioactive heating rate is found to be modest (within a factor of $\sim20$ for individual $A>90$ abundances and a factor of 2 for the heating rate). However, the impact on the late-time heating rate is more significant and depends strongly on the contribution from fission. We witness significantly larger sensitivity to the nuclear physics input if only a single trajectory is used compared to considering ensembles of $\sim$200-300 trajectories, and the quantitative effects of the nuclear uncertainties strongly depend on the adopted conditions for the individual trajectory. We use the predicted Th/U ratio to estimate the cosmochronometric age of six metal-poor stars and find the impact of the nuclear uncertainties to be up to 2 Gyr.

研究动机与目标

• 评估系统性核不确定性对致密双星并合中动力学喷射物与盘状喷射物中r过程丰度分布及衰变加热的影响。
• 评估核输入模型（尤其是质量、β衰变速率、裂变特性及中子俘获速率）变化对核合成结果的影响。
• 量化晚期待机衰变加热与宇宙年代学年龄估计对核物理不确定性的敏感度。
• 比较单条轨迹与集合模拟方法在核不确定性传播中的影响。
• 通过识别主导天体物理预测中不确定性的关键核输入，提升r过程建模的可靠性。

提出的方法

• 本研究采用中子星-中子星（NS-NS）与中子星-黑洞（NS-BH）并合的动力学喷射物及黑洞-吸积盘系统的长期盘状喷射物的流体动力学模拟，作为天体物理条件。
• 在这些流体动力学输出的基础上，通过后处理方法求解完整的核反应网络，整合14种不同的核模型以计算质量、β衰变速率、裂变特性及辐射中子俘获速率。
• 采用两种不同的框架计算辐射中子俘获速率，以评估其对r过程流及最终核素产量的影响。
• 衰变加热通过β衰变、α衰变与裂变贡献的总和计算，并在光变曲线建模中考虑热化效率。
• 利用每种核模型预测的Th/U比值估算宇宙年代学年龄，并在不同恒星与模型之间进行比较。
• 分别对单条轨迹与150至300条轨迹的集合进行敏感度分析，以评估统计平均的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 系统性核性质不确定性如何影响致密双星并合中动力学喷射物与盘状喷射物的r过程丰度分布？
• RQ2 核不确定性对并合喷射物中早期与晚期待机衰变加热速率有何影响？
• RQ3 裂变特性的变化如何影响晚期待机衰变加热及其对核输入的敏感度？
• RQ4 基于Th/U比值的宇宙年代学年龄估计在多大程度上依赖于核模型选择？
• RQ5 使用单条轨迹与大规模轨迹集合（150–300条）在核不确定性量化中存在何种差异？

主要发现

• 核不确定性对单个r过程核素（A > 90）的影响有限，不同核模型之间的差异最大不超过20倍。
• 早期衰变加热速率受核输入影响最大不超过2倍，表明初始阶段对核输入的敏感度较低。
• 晚期待机衰变加热对核不确定性极为敏感，尤其因裂变在能量产生中起主导作用。
• 基于不同核模型，六颗金属贫乏恒星的宇宙年代学年龄估计差异最高可达20亿年，凸显年龄推断中的显著不确定性。
• 与150–300条轨迹的集合相比，使用单条轨迹时对核输入的敏感度显著更高，表明集合平均可降低表观不确定性。
• 并无单一核素或反应主导不确定性；相反，多个核性质之间的系统性相关性导致集体效应，难以单独分离。