[论文解读] Mass ejection in neutron star mergers

Stephan Rosswog, M. Liebendörfer+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 152

一句话总结

本研究采用基于Lattimer-Swesty状态方程的三维牛顿SPH模拟来模拟中子星并合，发现0.004至0.04倍太阳质量的物质被抛射，主要由核结合能释放和共转配置中绝热指数的增加所驱动的爆炸性膨胀引起。结果表明，中子星并合可能是银河系中r-过程核合成的主要场所。

ABSTRACT

We present the results of 3D Newtonian SPH simulations of the merger of a neutron star binary. The microscopic properties of matter are described by the physical equation of state of Lattimer and Swesty (LS-EOS). To test for the robustness of our results we check the sensitivity to the approximations of our model as well as to the binary system parameters. The main and new result is that for the realistic LS-EOS, depending on the initial spin, between 4e-3 and 4e-2 solar masses of material become unbound. If, as suggested, large parts of this matter consist of r-process nuclei, neutron star mergers could account for the whole observed r-process material in the Galaxy.

研究动机与目标

• 通过流体动力学模拟研究中子星并合中的质量抛射机制。
• 评估质量抛射对初始条件（如自旋、状态方程和分辨率）的依赖性。
• 通过量化未束缚质量及其核组成，评估中子星并合作为r-过程核合成场所的潜力。
• 考察中微子发射和人工黏性在塑造并合动力学和质量抛射中的作用。

提出的方法

• 采用三维光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，使用Lattimer-Swesty状态方程（LS-EOS）描述中子星物质。
• 采用LS-EOS（版本2.7）的查表形式，包含153个密度点、121个内能点和25个电子分数点，以保证热力学一致性。
• 在状态方程表中使用线性插值计算压强、温度和化学势差，避免使用计算成本较高的热力学一致性方案。
• 通过费米-狄拉克积分和简并参数，引入电子和正电子捕获过程的中微子发射率。
• 模拟了球对称和共转平衡初始构型，以评估初始自旋对质量抛射的影响。
• 通过改变分辨率（21,000和50,000个粒子）、状态方程（刚性与软多级状态方程）、人工黏性和引力反冲效应，测试模型的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实的LS-EOS条件下，中子星并合中有多少质量成为未束缚？
• RQ2 初始恒星自旋（共转与非旋转）如何影响抛射物质的形态和动力学？
• RQ3 在LS-EOS情况下，核结合能的释放和绝热指数的增加在多大程度上驱动了爆炸性质量抛射？
• RQ4 分辨率、状态方程和中微子处理方式的变化在多大程度上影响了预测的质量抛射率？
• RQ5 考虑到预测的未束缚质量和其核组成，中子星并合能否解释银河系中观测到的r-过程丰度？

主要发现

• 在真实的Lattimer-Swesty状态方程下，未束缚物质的质量在4×10⁻³至4×10⁻²倍太阳质量之间，具体取决于初始自旋。
• 在共转构型中，低密度物质形成螺旋臂，由于绝热指数增加和核结合能的释放，发生爆炸性膨胀。
• 采用刚性多级状态方程时，抛射物质保持狭窄且结构清晰，缺乏LS-EOS情况下的爆炸性膨胀。
• 最终残余物为质量在2.5至3.1倍太阳质量之间的中心天体，可能坍缩成黑洞，周围环绕着质量为0.1至0.3倍太阳质量的厚吸积盘。
• 残余物周围的扩展低密度区域是r-过程核合成的潜在储库，尤其当与未束缚质量分数结合时更为显著。
• 若未束缚质量的显著部分为r-过程核素，则预测的未束缚质量足以解释银河系中全部观测到的r-过程物质。