来自磁星巨耀中放射性核的MeV伽马射线谱线

《Science China-Physics Mechanics & Astronomy》：MeV gamma-ray lines from radioactive nuclei in magnetar giant flares

　　

摘要

快速中子捕获过程（r-process）被广泛认为是宇宙中重元素合成的主流机制，但其天体物理发生场所仍是一个未解之谜。 recent studies 表明，磁星巨耀斑喷射出的高熵、快速膨胀的重子物质可能为 r-process 核合成提供了有利条件，而来自磁星 SGR 1806-20 的晚期伽马射线辐射为这一场景提供了直接的观测支持。在这项研究中，我们通过核反应网络模拟来探讨磁星巨耀斑的核合成产额，并分析由重核放射性衰变产生的核伽马射线线谱。研究发现，磁星巨耀斑中合成的核素主要集中在第一和第二 r-process 丰度峰值附近。由于这种核素组成，伽马射线的不透明度具有强烈的能量依赖性，在 keV 波段的不透明度大约比 MeV 波段高三个数量级。在早期（t ? 10^3 s），核伽马射线辐射主要由 MeV 光子主导，并随着时间的推移逐渐扩展到亚 MeV 和 keV 波段，从而为判断喷射物中的重元素富集情况提供了依据。伽马射线光谱在约 1 MeV 处呈现出一个峰值，其中主要贡献来自 ^88Kr 和 ^92Sr，它们的放射性衰变产生了几条亮度很高的伽马射线线，其通量超过约 10^-8 erg cm^-2 s^-1，这使得这些线成为 MeV 伽马射线探测器最有可能探测到的目标。由于磁星巨耀斑在银河系中的发生频率大约是中子星合并的三倍，并且它们的核伽马射线线能够被当前的 MeV 仪器观测到，因此它们为 MeV 伽马射线天文学提供了新的、宝贵的研究机会。