中子星合并快速抛射物中的核合成

中子星合并被认为是快速中子捕获元素(rapid neutron capture elements)的主要生产来源。虽然大部分物质以快但非相对论速度(${\sim} 0.2\,c$)抛射，但少量动态抛射质量到达轻度相对论速度(${\gtrsim}0.6\,c$)。有研究表明，在此类抛射物中中子可能避免被捕获，其衰变可能为主kilonova事件的早期蓝色前驱提供能量。本文对此类快速抛射物的核合成进行详细研究，沿参数化轨迹和数值相对论轨迹进行核网络计算。我们发现核合成可分为三个渠道，其中一个渠道在主r过程冻结后仍保留大量自由中子。我们提供了一个(半-)解析模型，用于描述存活的自由中子，与网络计算结果高度吻合。若自由中子质量分数超过 ${\sim} 0.05$，其 $\beta^-$-衰变将在 ${\sim} 100$ 到 ${\sim} 10^4$ 秒内主导核热率。这一主导关系导致明显的kilonova前驱，对于合理的抛射参数，应可在 ULTRASAT 观测范围内 ${\sim}200\,\rm Mpc$ 被检测到。由于在低电子分数下自由中子可在中等速度下存活存续，具有大尺度潮汐抛射的合并（如非对称中子星合并或有利的中子星-黑洞合并）可能产生尤其明亮的kilonova前身。