[论文解读] Outflows from Short-Lived Neutron-Star Merger Remnants Can Produce a Blue Kilonova

Sanjana Curtis, Pablo Bosch+6 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 6

一句话总结

本研究通过M1中微子输运的3D广义相对论磁流体动力学模拟，对短寿命中子星并合残余物的喷流进行建模，表明此类喷流可产生与AT2017gfo相兼容的蓝移千新星。模拟显示，由磁驱动风产生的高速、重稀土元素贫乏喷流，其$Y_e \sim 0.25-0.35$，质量约为$2 \times 10^{-2} M_\odot$，可产生在$g$和$r$波段达到峰值的蓝移瞬变源，当残余物存活时间约为240 ms时，其性质与观测结果一致。

ABSTRACT

We present a 3D general-relativistic magnetohydrodynamic simulation of a short-lived neutron star remnant formed in the aftermath of a binary neutron star merger. The simulation uses an M1 neutrino transport scheme to track neutrino-matter interactions and is well-suited to studying the resulting nucleosynthesis and kilonova emission. We find that the ejecta in our simulations under-produce $r$-process abundances beyond the second $r$-process peak. For sufficiently long-lived remnants, these outflows extit{alone} can produce blue kilonovae, including the blue kilonova component observed for AT2017gfo.

研究动机与目标

• 探究双中子星并合形成的短寿命中子星残余物是否可通过磁驱动风产生蓝移千新星。
• 解决长期存在的难题：识别AT2017gfo蓝成分的起源，该成分具有高速度、低光学厚度和中等质量。
• 在先前模拟的基础上进行改进，引入有限温度状态方程和两矩M1中微子输运方案，以准确模拟$Y_e$演化和核合成过程。
• 确定产生与AT2017gfo观测结果一致的蓝移千新星所需的残余物寿命及喷流特性。

提出的方法

• 对双中子星并合后形成的磁化中子星残余物进行3D广义相对论磁流体动力学（GRMHD）模拟。
• 实施两矩M1中微子输运方案，以准确模拟中微子-物质相互作用并追踪电子分数（$Y_e$）的演化。
• 采用有限温度状态方程，以模拟并合后残余物及喷流的热力学性质。
• 模拟残余物随时间的演化过程，重点关注磁驱动风的启动及其准稳态运行阶段。
• 利用后处理方法，基于M1中微子输运结果计算喷流中的$r$-过程核合成产物。
• 通过球对称辐射流体动力学模拟生成千新星光变曲线，预测光学与近红外波段的可观测星等。

实验结果

研究问题

• RQ1 短寿命中子星残余物的磁驱动风是否能产生与AT2017gfo观测特性相兼容的蓝移千新星？
• RQ2 为使喷流质量与速度足够匹配AT2017gfo的蓝成分，所需的残余物寿命是多少？
• RQ3 与泄漏方案相比，采用两矩M1中微子输运方案如何影响$Y_e$演化及后续的$r$-过程核合成？
• RQ4 中子星残余物喷流对整体千新星光变曲线的贡献有多大，尤其与动力学喷流和盘风喷流相比如何？
• RQ5 AT2017gfo的观测蓝成分是否可由残余物的单一、明确的喷流组分解释，还是需要多组分模型？

主要发现

• 模拟表明，寿命约为240 ms的中子星残余物可通过磁驱动风产生质量约为$2 \times 10^{-2} M_\odot$、速度约为$0.27c$、$Y_e \sim 0.25-0.35$的喷流组分，其性质与AT2017gfo的蓝成分一致。
• 残余物风喷流为重稀土元素贫乏，重稀土元素分数在$3.1 \times 10^{-3}$至可忽略值之间，导致光学厚度低，产生蓝光学辐射。
• 极向喷流的千新星光变曲线在$g$和$r$波段达到峰值，与AT2017gfo观测到的蓝移瞬变源一致。
• 仅考虑残余物喷流的$r$-过程核素分布无法再现第一$r$-过程峰之后的第二峰值，但与动力学喷流组合后，总核素分布趋近于太阳系丰度。
• 残余物风喷流的速度远高于盘风组分，且不会被后续到达的盘风遮挡，支持其作为早期蓝成分的主要来源。
• 本研究首次证明，采用M1中微子输运的高保真度GRMHD模拟可产生与AT2017gfo相兼容的蓝移千新星，解决了先前模型中的关键矛盾。