[论文解读] Measuring the contribution of neutron star-black hole mergers to the production of heavy metals

Hsin-Yu Chen, S. Vitale+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用 1

一句话总结

本研究利用引力波数据、更新的中子星方程态以及先进的数值模拟，探究中子星-黑洞（NSBH）并合对r-过程元素产生的贡献。研究发现，NSBH并合至多可产生本地r-过程元素的77%，若黑洞自旋较小则降至35%，若低质量黑洞稀少则贡献可忽略不计。

ABSTRACT

The origin of the heavy elements in the Universe is not fully determined. Neutron star-black hole (NSBH) and neutron star-neutron star mergers may both produce heavy elements via rapid neutron-capture process (r-process). We use the recent detection of gravitational waves from NSBHs, improved measurements of neutron star equation-of-state, and the most modern numerical simulations of the ejected materials from binary collisions to investigate the production of heavy elements from binary mergers. As the amount of ejecta depends on the mass and spin distribution of compact objects, as well as on the equation-of-state of neutron stars, we consider various models for these quantities, informed by gravitational-wave and pulsar data. We find that even in the most favorable model, neutron star-black hole mergers are unlikely to account for more than 77% of the r-process elements in the local Universe. If black holes have preferentially small spins, this bound decreases to 35%. Finally, if black hole spins are small and there is a dearth of low mass ($<5M_{\odot}$) black holes in NSBH binaries, the NSBH contribution to r-process elements is negligible.

研究动机与目标

• 确定中子星-黑洞（NSBH）并合在宇宙中合成重r-过程元素的贡献。
• 评估黑洞自旋、中子星方程态及质量分布不确定性对r-过程元素产量的影响。
• 评估NSBH并合是否可解释本地宇宙中观测到的r-过程元素的显著部分。
• 相对于中子星-中子星并合，约束NSBH并合在重元素产生中的作用。

提出的方法

• 结合近期NSBH并合的引力波探测结果，约束这些系统中黑洞的质量与自旋分布。
• 利用脉冲星计时和引力波观测获得的中子星方程态最新测量结果，模拟中子星结构。
• 应用最先进的双星并合喷射物数值模拟，考虑质量、自旋及方程态依赖性。
• 通过改变黑洞质量与自旋分布模型，以及中子星方程态，探索不同可能的喷射物质量与r-过程产量。
• 计算每次并合事件的总r-过程元素产量，并将其缩放至本地宇宙重元素的丰度。
• 使用统计推断方法，估算在不同天体物理假设下NSBH并合可能贡献的r-过程元素最大比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 NSBH并合在本地宇宙中r-过程元素产生中的最大可能贡献是多少？
• RQ2 黑洞自旋分布如何影响喷射物质量，从而影响NSBH并合的r-过程产量？
• RQ3 若NSBH系统中低质量黑洞（<5M☉）稀少，其对r-过程元素产生的贡献如何变化？
• RQ4 更新的中子星方程态与引力波数据如何约束NSBH并合的喷射物质量？
• RQ5 在何种天体物理条件下NSBH并合可能成为r-过程元素的主要来源？

主要发现

• 即使在最有利的模型下，NSBH并合至多可贡献本地宇宙中77%的r-过程元素。
• 若黑洞自旋倾向于较小，则最大贡献降至总r-过程元素产量的35%。
• 当NSBH系统中低质量黑洞（<5M☉）稀少时，NSBH并合对r-过程元素的贡献变得可忽略不计。
• NSBH并合的喷射物质量对黑洞自旋和质量分布高度敏感，这强烈影响r-过程产量的估算。
• 结果表明，即使在乐观假设下，NSBH并合也不太可能是r-过程元素的主要来源。
• 研究结果限定了NSBH并合相对于中子星-中子星并合在重元素起源中的作用。