利用Cosmic Explorer和Einstein Telescope进行多信使观测推断双中子星合并在r过程核合成中的作用
高能天体物理现象
2026-05-25 v1 广义相对论与量子宇宙学
摘要
确定快速中子捕获（r过程）元素来源的宇宙学问题仍是开放状态。双中子星（BNS）合并和少数类核心坍缩超新星（CCSNe）是主要的r过程生产来源。虽然BNS合并可能专门解释r过程核合成，但化学演化研究表明，考虑到其相对于星形成的延迟、引力波探测器观察到的BNS率，以及在低质量星系中保留问题的存在，情况并非如此。本文提出一种方法，通过第三代引力波探测器Cosmic Explorer和Einstein Telescope测量BNS合并对宇宙r过程核合成的贡献。该方法利用BNS GW事件数量与红移z\lesssim1处平均r过程丰度之间的红移依赖性相关性。我们将该相关性技术应用于虚构GW和丰度数据，考虑两种限制情景：带电磁伴随信号的GW事件（multi-messenger 'bright-sirens'）和不带（'dark-sirens'）。使用Fisher forecasts，我们展示，对于F_{BNS,z0}gtrsim0.1-1的fiducial天体学情景，两种情景在1σ置信水平下可将BNS合并对总宇宙r过程F_{BNS,z0}的累积贡献估计到\lesssim5-6%的精度。该方法还会产生与其他方法相当的BNS延迟时间分布参数估计。虽然宇宙r过程丰度可能从本地低金属观测中重建，但该方法也为识别超出本地宇宙的中子捕获元素信号提供了科学案例。
引用
@article{arxiv.2605.23554,
title = {Inferring the role of binary neutron star mergers in r-process nucleosynthesis with multi-messenger observations using Cosmic Explorer and Einstein Telescope},
author = {Aman Agarwal and Suvodip Mukherjee and Daniel M. Siegel},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.23554},
year = {2026}
}