[论文解读] $r$-process Nucleosynthesis and Kilonovae from Hypermassive Neutron Star Remnants

Sanjana Curtis, Philipp Mösta+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本研究首次对双中子星并合后的超质量中子星（HMNS）残余物进行了三维广义相对论磁流体动力学（GRMHD）模拟，通过拉格朗日示踪粒子和SkyNet核反应网络追踪r过程核合成与千新星辐射。结果表明，HMNS喷流产生较宽的电子分数分布（Ye ≈ 0.25–0.4），其r过程丰度与太阳峰不一致，且驱动千新星在约1天内于红外波段达到峰值，J波段和H波段的峰值星等约为18.3。

ABSTRACT

We investigate $r$-process nucleosynthesis and kilonova emission resulting from binary neutron star (BNS) mergers based on a three-dimensional (3D) general-relativistic magnetohydrodynamic (GRMHD) simulation of a hypermassive neutron star (HMNS) remnant. The simulation includes a microphysical finite-temperature equation of state (EOS) and neutrino emission and absorption effects via a leakage scheme. We track the thermodynamic properties of the ejecta using Lagrangian tracer particles and determine its composition using the nuclear reaction network $ exttt{SkyNet}$. We investigate the impact of neutrinos on the nucleosynthetic yields by varying the neutrino luminosities during post-processing. The ejecta show a broad distribution with respect to their electron fraction $Y_e$, peaking between $\sim$0.25-0.4 depending on the neutrino luminosity employed. We find that the resulting $r$-process abundance patterns differ from solar, with no significant production of material beyond the second $r$-process peak when using luminosities recorded by the tracer particles. We also map the HMNS outflows to the radiation hydrodynamics code $ exttt{SNEC}$ and predict the evolution of the bolometric luminosity as well as broadband light curves of the kilonova. The bolometric light curve peaks on the timescale of a day and the brightest emission is seen in the infrared bands. This is the first direct calculation of the $r$-process yields and kilonova signal expected from HMNS winds based on 3D GRMHD simulations. For longer-lived remnants, these winds may be the dominant ejecta component producing the kilonova emission.

研究动机与目标

• 本文旨在确定双中子星并合产生的超质量中子星（HMNS）残余物是否能产生GW170817观测到的蓝千新星成分。
• 研究中微子驱动喷流在塑造r过程核合成丰度与喷出物成分中的作用。
• 本研究旨在基于真实动态模拟的喷出物特性，预测千新星光变曲线与光谱演化。
• 通过将喷出物质量、速度与电子分数（Ye）与AT2017gfo的观测结果对比，评估HMNS喷流能否产生蓝千新星。
• 本研究旨在评估中微子光度对r过程丰度及喷出物有效不透明度的影响。

提出的方法

• 作者采用微物理有限温方程态与中微子泄漏方案，对HMNS残余物执行了3D广义相对论磁流体动力学（GRMHD）模拟。
• 利用拉格朗日示踪粒子追踪喷出物的热力学性质，包括密度、温度与电子分数（Ye）。
• 应用核反应网络SkyNet，基于示踪粒子的历史计算r过程核合成丰度。
• 将喷出物特性映射至辐射流体动力学代码SNEC，以模拟总辐射光度与宽带光变曲线。
• 模拟包含偶极磁场，并演化HMNS达21 ms，捕捉到磁化中子丰富喷流。
• 在后处理阶段改变中微子光度，以评估其对Ye与核合成的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 双中子星并合产生的超质量中子星（HMNS）喷流能否产生GW170817观测到的蓝千新星成分？
• RQ2 HMNS喷流产生的r过程核合成丰度为何？与太阳r过程峰相比如何？
• RQ3 HMNS喷出物中电子分数（Ye）的分布如何依赖于中微子光度与动力学过程？
• RQ4 HMNS驱动喷出物的千新星光变曲线演化如何，包括峰值时间与星等？
• RQ5 HMNS喷流能否产生蓝千新星，还是因镧系元素生成而产生红千新星？

主要发现

• HMNS喷流总质量约为5 × 10⁻³ M⊙，速度达∼0.1–0.3c，与蓝千新星成分一致。
• 电子分数（Ye）分布峰值位于∼0.25至0.4之间，具体取决于中微子光度，整体与蓝千新星条件相符。
• r过程丰度分布未显示显著的第三峰，且与太阳r过程模式不同，第三峰后无显著核素生成。
• 千新星总辐射光变曲线在约一天内达到峰值，红外J波段与H波段辐射最亮，峰值星等约为18.3。
• 峰值时有效光球温度约为4000 K，辐射主要由r过程核素的放射性衰变主导。
• 对于寿命更长的残余物（如100 ms），总喷出物质量增至∼10⁻² M⊙，导致千新星更明亮，但光谱演化仍以红外为主导。