[论文解读] Towards a paradigm change in the main heavy r-process nucleosynthesis sites

Aldana Grichener, Noam Soker|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 8

一句话总结

本文提出恒星共同包层喷流超新星（CEJSN）r-过程情景作为重r-过程核合成的领先候选场所，其在解释古老金属贫乏恒星中r-过程元素方面优于中子星-中子星并合与恒星坍缩喷流。研究表明，具有短延迟时间（10–30 Myr）和低初速冲（10–20 km/s）的CEJSN事件可有效富集星际介质，并解释超晕 dwarf（UFD）星系中r-过程丰度模式。

ABSTRACT

We study the basic properties of three possible r-process scenarios (sites) and compare them to recent observations and theoretical simulations. We find that the common envelope jets supernova (CEJSN) r-process scenario can account for the different observations of r-process nucleosynthesis, including the presence of r-process-rich low-metalicity stars in ultra-faint dwarf (UFD) galaxies. The neutron star (NS)-NS merger scenario and the collapsar scenario encounter some difficulties. Despite that, we conclude that it is very likely that more than one r-process scenario exists, with a significant contribution by the CEJSN r-process scenario. We give a prescription to include this scenario in population synthesis studies of the r-process.

研究动机与目标

• 评估三种r-过程情景（CEJSN、NS-NS并合与恒星坍缩喷流）在观测约束下的可行性。
• 解决r-过程核合成时间与分布之间的不一致，特别是在超晕 dwarf（UFD）星系中。
• 为在星族合成模型中包含CEJSN r-过程提供定量描述。
• 评估黑洞伴星在增强r-过程产量与减少中微子抑制方面的作用。

提出的方法

• 比较三种r-过程情景的关键物理特性：r-过程产量、吸积率、事件率、初速冲、延迟时间与输送距离。
• 利用来自UFD星系中金属贫乏恒星的观测约束以及千新星数据（如AT2017gfo）评估情景的一致性。
• 应用星族合成建模技术，将NS-NS并合框架调整以包含CEJSN，采用修改后的延迟时间分布（DTD）与速度冲量。
• 评估吸积盘中的中微子抑制效应，表明黑洞吸积相比中子星吸积会减少中子与质子的转化。
• 提出一种改进的CEJSN情景，引入黑洞伴星以增强产量并减少中微子损失。
• 推导出定量比例：CEJSN事件率 ≈ 0.3–1× NS-NS并合事件率，单次事件产量 ≈ 1–3× 更高。

实验结果

研究问题

• RQ1 CEJSN r-过程情景能否解释超晕 dwarf 星系中金属贫乏恒星观测到的r-过程丰度模式？
• RQ2 CEJSN事件的延迟时间与初速冲与NS-NS并合及恒星坍缩喷流相比，在富集早期星族方面有何差异？
• RQ3 在CEJSN r-过程情景中，用黑洞替代中子星对r-过程产量与中微子抑制有何影响？
• RQ4 如何系统地将CEJSN r-过程纳入r-过程核合成的星族合成模型？
• RQ5 为何NS-NS并合与恒星坍缩喷流情景在解释早期r-过程富集方面面临挑战，而CEJSN如何克服这些挑战？

主要发现

• CEJSN r-过程情景的单次事件r-过程产量约为0.01–0.03 M☉，显著高于NS-NS并合的~0.01 M☉。
• CEJSN事件从恒星形成起的延迟时间仅为10–30 Myr，可有效富集古老金属贫乏恒星族。
• CEJSN中的初速冲速度较低（~10–20 km/s），导致延迟距离仅0.1–0.6 kpc，确保富集的局域性。
• CEJSN的事件率估计为每1000次核心坍缩超新星约有数百至1000次，与或超过NS-NS并合的事件率相当。
• 在CEJSN情景中，用黑洞替代中子星可减少中微子发射，从而最小化中子与质子的转化，提升r-过程效率。
• 与仅靠NS-NS并合相比，CEJSN r-过程情景在与银河系中[Eu/Fe]演化曲线的‘膝部’特征及UFD星系中r-过程丰度的观测一致性方面更具优势。