[论文解读] Implications of GRB 130603B and its macronova for r-process nucleosynthesis

Tsvi Piran, Oleg Korobkin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 10

一句话总结

本文提出，短伽马射线暴 GRB 130603B 及其伴生的超新星遗迹为致密双星并合（CBMs）是重r-过程元素（A > 130）主要来源提供了直接证据。基于观测到的红外信号，作者推断出喷射物的最小质量为 0.02 M☉，与CBM模型及星系化学演化一致，同时表明在太阳系形成前不久发生了一次邻近的并合事件。

ABSTRACT

The tentative identification of a Li-Paczynski macronova following the short GRB 130603B indicated that a few hundredths of a solar mass of neutron star matter were ejected and that this ejected mass has radioactively decayed into heavy r-process elements. If correct, this confirms long standing predictions (Eichler, Livio, Piran and Schramm 1989) that on the one hand, sGRBs are produced in compact binary mergers (CBMs) and on the other hand that these events are significant and possibly dominant sources of the heavy (A>130) r-process nuclei. Assuming that this interpretation is correct we obtain a lower limit of 0.02 m_sun on the ejected mass. Using the current estimates of the rate of sGRBs and with a beaming factor of 50, mergers associated with sGRBs can produce all the observed heavy r-process material in the Universe. We confront this conclusion with cosmochemistry and show that even though such events are rare, mixing is sufficient to account for the current homogeneous distribution of r-process material in the Galaxy. However, the appearance of significant amounts of Eu in some very low metallicity stars requires that some mergers took place very early on, namely with a very short time delay after the earliest star formation episodes. Alternatively, an additional early r-processsource may have contributed at that early stage. Finally, we note that evidence for short lived {244}^Pu in the very early solar system suggests that a merger of this kind took place within the vicinity of the solar system shortly (a few hundred million years) before its formation.

研究动机与目标

• 检验GRB 130603B 之后观测到的超新星遗迹是否证实了致密双星并合（CBMs）是r-过程元素的主要来源。
• 确定产生观测到的超新星遗迹光度所需的最小喷射物质量，并约束CBMs中r-过程核合成。
• 将CBM r-过程模型与星系化学演化相协调，特别是解释重r-过程元素在早期和均匀分布的现象。
• 评估早期太阳系中 244Pu 的存在对近期本地r-过程事件的启示。
• 评估GRB 130603B 喷射物之后射电辐射的可探测性，作为对CBM模型的检验。

提出的方法

• 分析与GRB 130603B 相关的超新星遗迹的红外光变曲线，以推断放射性衰变能量和喷射物质量。
• 使用核合成网络计算，将观测到的超新星遗迹光度与A > 130的r-过程元素生成联系起来。
• 基于推断的放射性加热速率和观测光度，估算最小喷射物质量（m_ej > 0.02 M☉）。
• 将预测的并合率（具有约50的束流因子）与宇宙中重r-过程元素的观测丰度进行比较。
• 对星系混合过程（湍流混合、速度梯度）进行建模，以评估银河系中r-过程元素分布的均匀性。
• 基于EVLA灵敏度预测，评估喷射物与并合周围物质相互作用产生的射电辐射的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB 130603B 的超新星遗迹信号是否为致密双星并合中显著的r-过程核合成提供了证据？
• RQ2 产生观测到的超新星遗迹光度所需的最小喷射物质量是多少？该质量如何约束并合动力学？
• RQ3 银河系中重r-过程元素的观测均匀分布能否由CBM驱动的核合成及高效混合机制解释？
• RQ4 早期太阳系中 244Pu 的存在是否与在太阳系形成前约1亿年内发生的邻近致密双星并合一致？
• RQ5 GRB 130603B 喷射物之后的射电辐射是否可探测？此类探测对CBM模型有何启示？

主要发现

• GRB 130603B 之后观测到的超新星遗迹表明，喷射物的最小质量为 0.02 M☉，与致密双星并合的动力喷射一致。
• 推断的喷射物质量和并合率（束流因子约50）足以解释宇宙中所有观测到的重r-过程物质。
• 快速的星系混合机制，包括约150 km/s的湍流速度，可解释银河系中观测到的r-过程元素分布的均匀性。
• 早期太阳系中 244Pu 的检测与在太阳系形成前约1亿年内发生的致密双星并合一致。
• 在数月到一年的时间尺度上，喷射物与周围物质相互作用预计会产生可探测的射电信号（数10 μJy），可能通过EVLA观测到。
• GRB 130603B 超新星遗迹的观测特性与并合中存在黑洞一致，这由高喷射物质量和速度支持。