Pre-supernova O-C shell mergers could produce more $^{44}\mathrm{Ti}$ than the explosion

Technische Samenvatting: Pre-supernova O-C-schelpenfusies kunnen meer 44Ti produceren dan de explosie

Probleemstelling
Het radioactieve isotoop $^{44}$Ti is een primaire tracer voor explosieve nucleosynthese in kerninstortings-supernova's (CCSN), en wordt traditioneel geacht te worden gesynthetiseerd tijdens een $\alpha$-rijke afkoeling vanuit nucleair statistisch evenwicht in de binnenste ejecta. Het beperken van de explosieve oorsprong van $^{44}$Ti is echter uitdagend, omdat de opbrengsten sterk gevoelig zijn voor de massascheiding en de gelijktijdig geproduceerde $^{56}$Ni. Standaard 1D-modellen hebben moeite om de waargenomen $^{44}$Ti-opbrengsten (bijvoorbeeld in Cassiopeia A en SN 1987A) te reproduceren zonder $^{56}$Ni te overproduceren, terwijl sferisch symmetrische explosies $^{44}$Ti onderproduceren in vergelijking met waarnemingen. Recent onderzoek suggereert dat aanzienlijke $^{44}$Ti-productie kan plaatsvinden voor de explosie tijdens zuurstof-koolstof (O-C) schelpenfusies in massieve sterren. De specifieke impact van 3D macrofysische mengcondities op deze pre-explosieve nucleosynthese, en of deze de explosieve productie kan overtreffen, moet nog worden gekwantificeerd.

Methodologie
De auteurs maken gebruik van de NuGrid-dataset, specifiek een stermodel van $15\,M_\odot$ met metaliciteit $Z=0.02$, dat kort voor de kerninstorting een O-C-schelpenfusie vertoont. Ze verwerken het begin van deze fusie achteraf met de multi-zone-code mppnp en een nucleair netwerk van 1470 isotopen over een simulatie van 110 seconden.

Om de afhankelijkheid van mengcondities te onderzoeken, implementeren de auteurs 24 verschillende scenario's gebaseerd op resultaten van 3D-hydrodynamische simulaties:

1. Mengprofielen: Een basisprofiel volgens de Menglengte-theorie (MLT) en gemodificeerde profielen met convectieve afbuigingen en versterkingsfactoren (1$\times$, 3$\times$, 10$\times$ en 50$\times$) geïnspireerd door 3D-hydro-simulaties.
2. Meetingsnelheden: Simulaties variëren de entrainment-snelheid van C-schelpmateriaal in de O-schelp bij $0$, $4\times10^{-5}$, $4\times10^{-4}$ en $4\times10^{-3}\,M_\odot\,\text{s}^{-1}$.
3. Quenching-effecten: Vier profielen omvatten convectieve dippen om energierückkoppeling en gedeeltelijke fusie te emuleren.

De studie berekent pre-explosieve opbrengsten en vergelijkt deze met een "snelle" en "vertraagde" voorschrift voor de massascheiding. De resultaten worden uitgedrukt als een Overproductiefactor ($OPR_{15}$) ten opzichte van de standaard pre-explosieve opbrengst van het $15\,M_\odot$-model. Deze pre-explosieve opbrengsten worden vervolgens vergeleken met een breed scala aan observationele data (Cassiopeia A, SN 1987A) en theoretische modellen (1D, 2D en 3D CCSN-simulaties) uit de literatuur.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Nucleosynthesepad: De studie identificeert een gemeenschappelijke reactieketen voor $^{44}$Ti-productie in O-C-fusies: $^{38}\text{Ar}(\alpha, \gamma)^{42}\text{Ca}(n, \gamma)^{43}\text{Ca}(p, \gamma)^{44}\text{Sc}(p, n)^{44}\text{Ti}$. In scenario's met hoge menging (50$\times$ versterkt) dragen aanvullende paden met $^{39}\text{K}$ en $^{35}\text{Cl}$ aanzienlijk bij. De vernietiging van $^{44}$Ti wordt gedomineerd door $^{44}\text{Ti}(\gamma, \alpha)^{40}\text{Ca}$ aan de basis van de schelp.
• Gevoeligheid voor Menging: De productie van $^{44}$Ti is zeer gevoelig voor mengsnelheid en entrainment. Zonder entrainment is de productie laag. Hoewel MLT- en gequenchde scenario's een afname van de productie tonen ten opzichte van de basis, vertonen modellen met de hoogste entrainment-snelheden en versterkte, door 3D geïnspireerde mengprofielen een aanzienlijke toename van $^{44}$Ti. De productie is monotoon met de mengsnelheid voor door 3D geïnspireerde scenario's.
• Pre-explosieve versus Explosieve Opbrengsten: De pre-explosieve productie van $^{44}$Ti in specifieke mengscenario's kan de explosieve productie van hetzelfde stermodel overtreffen. De voorspelde pre-explosieve opbrengsten voor $^{44}$Ti vertonen een spreiding van 4,78–4,81 dex afhankelijk van de massascheiding, wat aanzienlijk groter is dan de spreiding voor andere isotopen.
• Vergelijking met Waarnemingen: Het bereik van de voorspelde pre-explosieve opbrengsten voor $^{44}$Ti in dit werk is vergelijkbaar met of groter dan de explosieve opbrengsten van alle massieve stermodellen in de NuGrid-dataset en vele modellen uit de literatuur. Specifiek valt de $^{44}$Ti-opbrengst van Cassiopeia A ($2,6 \pm 0,6) \times 10^{-4}\,M_\odot$) binnen het bereik van de door de auteurs gebruikte 3$\times$ en 10$\times$ versterkte mengscenario's met de snelste entrainment-snelheid.
• Isotoopspecificiteit: Waar de productie van $^{56}$Ni wordt gedomineerd door de explosie en grotendeels onaangetast blijft door pre-explosieve menging in 1D-modellen, tonen andere radioactieve soorten ($^{22}$Na, $^{51}$Cr, $^{59,60}$Fe, $^{65}$Zn) ook significante pre-explosieve bijdragen afhankelijk van de mengcondities.

Betekenis en Claims
Het artikel concludeert dat kwantitatieve voorspellingen van $^{44}$Ti en andere radioactieve soorten vereisen dat men de 3D-hydrodynamische mengcondities begrijpt die aanwezig zijn tijdens O-C-schelpenfusies. De auteurs demonstreren dat:

1. Pre-explosieve O-C-schelpenfusies hoeveelheden $^{44}$Ti kunnen produceren die de explosieve opbrengsten evenaren of overtreffen, wat mogelijk de waargenomen opbrengsten verklaart zonder dat er fijn afgestelde explosieparameters nodig zijn.
2. 3D-mengfysica $^{44}$Ti kan versterken in 1D-modellen zonder de $^{56}$Ni-opbrengsten te wijzigen, wat een mogelijke oplossing biedt voor de discrepantie waarbij 1D-modellen $^{56}$Ni overproduceren om $^{44}$Ti te matchen.
3. De asymmetrische en klompige verdeling van $^{44}$Ti in restanten zoals Cassiopeia A een signatuur kan zijn van de pre-explosieve oorsprong in een O-C-schelpenfusie, waarbij de niet-radiale stromingskenmerken van de fusie behouden blijven.

De auteurs houden een bescheiden standpunt aan, waarbij ze opmerken dat hun opbrengsten "verkennend in plaats van voorspellend" zijn, omdat de simulaties terugkoppelingseffecten op temperatuur- en dichtheidsontwikkeling negeren die volledige ster-evolutieberekeningen zouden vereisen. Verder benadrukken ze dat 3D-simulaties van de explosie zelf nog steeds noodzakelijk zijn om nucleosynthese volledig te vatten en waarnemingen van zowel $^{44}$Ti als $^{56}$Ni te matchen, zelfs als er een schelpenfusie heeft plaatsgevonden. Toekomstig werk moet de relatie tussen fusie-geïnduceerde verstoringen en de daaropvolgende explosiedynamiek aanpakken.