[论文解读] Nucleosynthesis in neutrino-driven winds after neutron star mergers

D. Martin, Albino Perego+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本研究模拟了双中子星并合后形成的巨大中子星的中微子驱动喷流中的核合成过程。结果表明，在并合后约200 ms内，最多有0.009 M☉的物质被抛射，其电子分数Yₑ ≈ 0.2–0.4，生成较轻的超铁核素（A < 130），这一过程与早期动力学喷流相辅相成，可解释贫金属星中r-过程元素的分布模式。放射性衰变导致约4 小时出现蓝光峰值，以及3–4天后的红外次级峰值，这是由于高光学厚度所致。

ABSTRACT

We present a comprehensive nucleosynthesis study of the neutrino-driven wind in the aftermath of a binary neutron star merger. Our focus is the initial remnant phase when a massive central neutron star is present. Using tracers from a recent hydrodynamical simulation, we determine total masses and integrated abundances to characterize the composition of unbound matter. We find that the nucleosynthetic yields depend sensitively on both the life time of the massive neutron star and the polar angle. Matter in excess of up to $9 \cdot 10^{-3} M_\odot$ becomes unbound until $\sim 200~{ m ms}$. Due to electron fractions of $Y_{ m e} \approx 0.2 - 0.4$ mainly nuclei with mass numbers $A < 130$ are synthesized, complementing the yields from the earlier dynamic ejecta. Mixing scenarios with these two types of ejecta can explain the abundance pattern in r-process enriched metal-poor stars. Additionally, we calculate heating rates for the decay of the freshly produced radioactive isotopes. The resulting light curve peaks in the blue band after about $4~{ m h}$. Furthermore, high opacities due to heavy r-process nuclei in the dynamic ejecta lead to a second peak in the infrared after $3-4~{ m d}$.

研究动机与目标

• 模拟双中子星并合早期并合后阶段中微子驱动喷流中的核合成过程。
• 基于流体动力学模拟的示踪物，确定从喷流中抛射的未束缚物质的总质量和累积丰度。
• 评估大质量中心中子星的寿命和极角对核合成产物的影响。
• 评估喷流物质对观测到的r-过程富集贫金属星中元素丰度模式的影响。
• 计算放射性衰变产生的加热速率，并预测多波段光变曲线以供观测对比。

提出的方法

• 利用近期对并合残余物的三维流体动力学模拟中的示踪物，提取喷流中热力学和成分条件。
• 追踪电子分数（Yₑ）和熵的演化，以确定喷流喷射物中的核合成路径。
• 应用核反应网络计算，在不同Yₑ和温度条件下计算A < 130核素的同位素产额。
• 将喷流喷射物的产额与早期动力学喷射物的产额相结合，检验其与贫金属星中观测到的r-过程丰度模式的一致性。
• 计算新合成放射性同位素（如⁸⁰Kr、⁸⁶Kr、⁹⁰Rb）衰变产生的加热速率，以模拟光变曲线的演化。
• 引入重r-过程核素带来的高光学厚度，以模拟红外辐射并预测光变曲线中的次级峰值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中子星并合后约200 ms内，中微子驱动喷流抛射的未束缚物质总质量是多少？
• RQ2 电子分数（Yₑ）和极角如何影响喷流喷射物中的核合成产物？
• RQ3 喷流喷射物在贫金属星中观测到的r-过程丰度模式中贡献了多大程度？
• RQ4 喷流喷射物中放射性衰变导致的光变曲线特征（包括峰值时间与亮度）如何？
• RQ5 r-过程核素带来的高光学厚度如何影响红外辐射，并导致光变曲线中出现次级峰值？

主要发现

• 在并合后约200 ms内，中微子驱动喷流中最多有0.009 M☉的物质被抛射。
• 喷流中电子分数范围为Yₑ ≈ 0.2至0.4，有利于生成质量数A < 130的核素。
• 喷流喷射物生成的超铁核素与早期动力学喷射物相辅相成，可一致解释贫金属星中r-过程元素的分布模式。
• 新合成同位素的放射性衰变在并合后约4 小时产生光变曲线中的蓝光波段峰值。
• 动力学喷射物中重r-过程核素带来的高光学厚度导致光变曲线在3–4天后出现次级红外峰值。
• 喷流与动力学阶段喷射物的联合产物可重现与中子星并合后千新星观测一致的多波段光变曲线。