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天体物理学 > 高能天体物理现象

arXiv:2507.01094 (astro-ph)
[提交于 2025年7月1日 ]

标题: 大质量元素在旋转原磁星风中的合成

标题: Heavy element nucleosynthesis in rotating proto-magnetar winds

Authors:Tejas Prasanna, Matthew S. B. Coleman, Todd A. Thompson, Brian D. Metzger, Anirudh Patel, Bradley S. Meyer
摘要: 通过快速中子捕获过程($r-$过程)合成的元素的天体物理起源是一个长期存在的谜题。 核心坍缩超新星的高温高密度环境被认为可能是$r-$过程的潜在发生地,尤其是新生原中子星(PNS)的中微子驱动风。 忽略PNS强磁场和/或快速旋转的潜在影响的风模型通常无法达到产生第三$r-$过程峰值的必要条件,但能稳健地产生有限或弱的$r-$过程对于富中子风。 具有磁星强度磁场的旋转和非旋转PNS风的轴对称磁流体动力学模拟显示,高熵物质从PNS磁层的赤道闭合区准周期性地喷射出来。 在此,我们使用核反应网络对这些模拟中的示踪粒子轨迹进行后处理,以探索不同PNS磁场强度、旋转速率和中微子光度(核心反弹后的冷却阶段)下的合成过程。 我们发现,即使磁场弱至$\sim 5\times 10^{14}$G,磁星形成过程中直到并超过第三个峰值的稳健$r-$过程是普遍存在的。根据初始磁场强度和自转的分布,我们估计磁化PNS风可以解释银河系$r-$过程库存的$\sim 5-100\%$,延伸到第三个峰值。我们计算中的稳健$r-$过程伴随着质量数为$\rm A\lesssim 120$的元素相对于太阳丰度的过量产生。 我们还发现,$^{92}\rm Mo$(一种$p-$同位素)在富中子风中大量产生。
摘要: The astrophysical origin of elements synthesized through the rapid neutron capture process ($r-$process) is a long standing mystery. The hot and dense environments of core-collapse supernovae have been suggested as potential $r-$process sites, particularly the neutrino-driven wind from the newly-born protoneutron star (PNS). Wind models that neglect the potential effects of strong magnetic fields and/or rapid rotation of the PNS typically fail to achieve the necessary conditions for production of the third $r-$process peak, but robustly produce a limited or weak $r-$process for neutron-rich winds. Axisymmetric magnetohydrodynamic simulations of rotating and non-rotating PNS winds with magnetar-strength fields reveal that high entropy material is quasi-periodically ejected from the equatorial closed zone of the PNS magnetosphere. Here, we post-process tracer particle trajectories from these simulations using a nuclear reaction network in order to explore the resulting nucleosynthesis across a range of PNS magnetic field strengths, rotation rates, and neutrino luminosities (cooling phase after core-bounce). We find that a robust $r-$process up to and beyond the third peak is generic to magnetar birth, even for magnetic fields as weak as $\sim 5\times 10^{14}$ G. Depending on the distribution of magnetic field strengths and rotation at birth, we estimate that magnetized PNS winds could account for $\sim 5-100\%$ of the Galactic $r-$process inventory, extending up to the third peak. The robust $r-$process in our calculations is accompanied by overproduction of elements with mass number $\rm A\lesssim 120$ compared to the Solar abundances. We also find that $^{92}\rm Mo$ (a $p-$isotope) is produced in significant quantities in neutron-rich winds.
评论: 21页,12图
主题: 高能天体物理现象 (astro-ph.HE)
引用方式: arXiv:2507.01094 [astro-ph.HE]
  (或者 arXiv:2507.01094v1 [astro-ph.HE] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.01094
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Tejas Prasanna [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 7 月 1 日 18:00:17 UTC (2,878 KB)
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