[论文解读] Merging Neutron Stars and Black Holes as Sources of Gamma-Ray Bursts and Heavy Elements

Hans‐Thomas Janka, M. Ruffert+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本文通过包含核方程态及中微子/引力波反馈的流体动力学模拟，研究了中子星-中子星和中子星-黑洞并合作为伽马射线暴及重元素来源的可能性。研究发现，此类并合可产生可观测的伽马射线暴，并合成金、铂等r-过程元素，支持其在宇宙重元素产生中的作用。

ABSTRACT

Hydrodynamic simulations were performed of the dynamical phase of the merging of binary neutron stars (NS-NS) and of neutron star black hole binaries (NS-BH), using the physical nuclear equation of state of Lattimer and Swesty (1991) and taking into account the emission of gravitational waves and neutrinos.

研究动机与目标

• 探讨双中子星和中子星-黑洞并合作为伽马射线暴来源的作用。
• 研究这些并合事件中重元素（r-过程）的核合成产额。
• 利用真实的物理输入（包括引力波和中微子发射）模拟并合的动力学阶段。
• 评估这些系统作为短时伽马射线暴和重元素产生引擎的可行性。
• 为并合事件、伽马射线暴与宇宙中重元素起源之间的观测联系提供理论基础。

提出的方法

• 通过流体动力学模拟，对双中子星和中子星-黑洞并合的动力学阶段进行建模。
• 模拟采用Lattimer-Swesty核方程态描述富中子物质。
• 在模拟中引入引力波辐射和中微子输运作为能量损失机制。
• 模型追踪了并合过程中熵、密度和组分的演化。
• 基于喷射物质的热力学历史计算核合成产额。
• 对结果进行分析，评估潜在的观测特征，包括伽马射线暴的能量输出和r-过程元素的生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星并合是否能产生足以驱动短时伽马射线暴的能量？
• RQ2 在中子星并合过程中喷射物质的r-过程核合成效率如何？
• RQ3 引力波和中微子损失如何影响中子星与黑洞并合的动力学和组分？
• RQ4 此类并合预测的金、铂等重元素产额是多少？
• RQ5 并合残骸是否产生与已知伽马射线暴和重元素丰度数据一致的可观测特征？

主要发现

• 模拟显示，中子星或中子星与黑洞的并合可产生瞬态、高能喷流，足以驱动短时伽马射线暴。
• 在并合产生的高温、富中子喷射物中，合成了大量r-过程元素，包括金和铂。
• 中微子辐射和引力波损失在冷却并合残骸并塑造其动力学中起关键作用。
• 模拟中总质量喷射量达到数×10−2个太阳质量，高熵和富中子特性有利于r-过程核合成。
• 预测的重元素产额与太阳系中r-过程元素的丰度分布一致。
• 结果支持双中子星和中子星-黑洞并合是短时伽马射线暴及宇宙中r-过程对重元素生成贡献的可行来源的假说。