弱相互作用点燃与超塌缩星盘的 r 过程外流

旋转巨型（~$10 M_\odot$）恒星坍缩产生的高吸积黑洞（BH;“塌缩星”）是长期型伽玛射线暴（GRB）的中心引擎，也是快速中子捕获（“r 过程”）元素来源的有前景的来源之一。r 过程核合成需要吸积流自行中子化，这是由于有限电子退化引起的�勒-布洛克效应，伴随临界吸积率 $\dot M > \dot{M}_{\rm ign}$。我们对此“点燃阈值”及其随黑洞质量 $M$ 增大可能的失效进行了分析。采用三维广义相对论磁流体动力学模拟，并包含弱相互作用，我们探讨了质量为 $M$ ~ 80-3000 $M_\odot$ 的塌缩星盘物理条件，随其在超过粘性时间尺度后穿过阈值。我们的模拟与解析结果 $\dot{M}_{\rm ign}\propto \alpha^{5/3}M^{4/3}$ 在 $M$ ~ 3-3000 $M_\odot$ 区间高度吻合。模拟及解析分析一致表明，最大可实现 r 过程核合成的黑洞质量约为 $3000 M_\odot$，超出此值后自行中子化停止，因为盘温度 $T\propto M^{-1/6}$ 降至约等于中子-质子质能差 (~MeV)，抑制原子质子转化为中子的过程。我们指出，质量为 ~$250-10^5M_\odot$ 的恒星模型可产生 $M$ ~30-1000 $M_\odot$ 的黑洞，以 $\dot M\gtrsim \dot{M}_{\rm ign}$ 的速率吸积，每个事件可产生 ~$10-100 M_\odot$ 的轻重 r 过程元素。这些稀有但高效的 r 过程来源在低金属环境中与超日全炮现象相关联，可能伴随极其强大的 GRB。此类特征可用于探测第三星际时代恒星。