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

Resumo Técnico: Fusões de cascas O-C pré-supernova podem produzir mais 44Ti do que a explosão

Declaração do Problema
O isótopo radioativo $^{44}$Ti é um traçador primário da nucleossíntese explosiva em supernovas de colapso do núcleo (CCSN), tradicionalmente pensado como sintetizado durante o congelamento rico em $\alpha$ a partir do equilíbrio estatístico nuclear nos ejectos mais internos. No entanto, restringir a origem explosiva de $^{44}$Ti é desafiador porque os rendimentos são altamente sensíveis ao corte de massa e ao $^{56}$Ni co-produzido. Modelos 1D padrão lutam para reproduzir os rendimentos observados de $^{44}$Ti (por exemplo, em Cassiopeia A e SN 1987A) sem superproduzir $^{56}$Ni, enquanto explosões esfericamente simétricas subproduzem $^{44}$Ti em comparação com as observações. Estudos recentes sugerem que uma produção significativa de $^{44}$Ti pode ocorrer antes da explosão durante fusões de cascas de Oxigênio-Carbono (O-C) em estrelas massivas. O impacto específico das condições de mistura macrofísicas 3D nesta nucleossíntese pré-explosiva, e se ela pode dominar sobre a produção explosiva, permanece a ser quantificado.

Metodologia
Os autores utilizam o conjunto de dados NuGrid, especificamente um modelo estelar de $15\,M_\odot$ com metalicidade $Z=0.02$, que exibe uma fusão de cascas O-C pouco antes do colapso do núcleo. Eles processam posteriormente o início dessa fusão usando o código multi-zonas mppnp com uma rede nuclear de 1470 isótopos ao longo de uma simulação de 110 segundos.

Para investigar a dependência das condições de mistura, os autores implementam 24 cenários distintos baseados em resultados de simulações hidrodinâmicas 3D:

1. Perfis de Mistura: Um perfil de Teoria do Comprimento de Mistura (MLT) de base e perfis modificados incorporando rebaixamentos convectivos e fatores de amplificação (1$\times$, 3$\times$, 10$\times$ e 50$\times$) inspirados em simulações hidrodinâmicas 3D.
2. Taxas de Arraste: As simulações variam a taxa de arraste de material da casca C para a casca O em $0$, $4\times10^{-5}$, $4\times10^{-4}$ e $4\times10^{-3}\,M_\odot\,\text{s}^{-1}$.
3. Efeitos de Supressão: Quatro perfis incluem mergulhos convectivos para emular feedback energético e fusão parcial.

O estudo calcula os rendimentos pré-explosivos e os compara contra uma prescrição de "corte de massa" rápida e "atrasada". Os resultados são expressos como um Fator de Superprodução ($OPR_{15}$) relativo ao rendimento pré-explosivo padrão do modelo de $15\,M_\odot$. Esses rendimentos pré-explosivos são então comparados a uma ampla gama de dados observacionais (Cassiopeia A, SN 1987A) e modelos teóricos (simulações CCSN 1D, 2D e 3D) da literatura.

Principais Contribuições e Resultados

• Caminhos de Nucleossíntese: O estudo identifica uma cadeia de reações comum para a produção de $^{44}$Ti em fusões O-C: $^{38}\text{Ar}(\alpha, \gamma)^{42}\text{Ca}(n, \gamma)^{43}\text{Ca}(p, \gamma)^{44}\text{Sc}(p, n)^{44}\text{Ti}$. Em cenários de alta mistura (amplificados 50$\times$), caminhos adicionais envolvendo $^{39}\text{K}$ e $^{35}\text{Cl}$ contribuem significativamente. A destruição de $^{44}$Ti é dominada por $^{44}\text{Ti}(\gamma, \alpha)^{40}\text{Ca}$ na base da casca.
• Sensibilidade à Mistura: A produção de $^{44}$Ti é altamente sensível à velocidade de mistura e ao arraste. Sem arraste, a produção é baixa. Embora os cenários MLT e suprimidos mostrem produção diminuída em comparação com a base, modelos com as maiores taxas de arraste e perfis de mistura 3D inspirados e amplificados mostram um aumento significativo em $^{44}$Ti. A produção é monótona com a velocidade de mistura para cenários inspirados em 3D.
• Rendimentos Pré-explosivos vs. Explosivos: A produção pré-explosiva de $^{44}$Ti em cenários específicos de mistura pode exceder a produção explosiva do mesmo modelo estelar. Os rendimentos pré-explosivos previstos para $^{44}$Ti exibem uma dispersão de 4,78–4,81 dex dependendo do corte de massa, significativamente maior do que a dispersão para outros isótopos.
• Comparação com Observações: A faixa de rendimentos pré-explosivos previstos para $^{44}$Ti neste trabalho é comparável ou maior do que os rendimentos explosivos de todos os modelos de estrelas massivas no conjunto de dados NuGrid e de muitos modelos da literatura. Especificamente, o rendimento de $^{44}$Ti de Cassiopeia A ($2,6 \pm 0,6) \times 10^{-4}\,M_\odot$) cai dentro da faixa dos cenários de mistura amplificada 3$\times$ e 10$\times$ dos autores com a taxa de arraste mais rápida.
• Especificidade do Isótopo: Embora a produção de $^{56}$Ni seja dominada pela explosão e permaneça largely inalterada pela mistura pré-explosiva em modelos 1D, outras espécies radioativas ($^{22}$Na, $^{51}$Cr, $^{59,60}$Fe, $^{65}$Zn) também mostram contribuições pré-explosivas significativas dependendo das condições de mistura.

Significado e Afirmações
O artigo conclui que previsões quantitativas de $^{44}$Ti e outras espécies radioativas exigem uma compreensão das condições de mistura hidrodinâmica 3D presentes durante fusões de cascas O-C. Os autores demonstram que:

1. Fusões de cascas O-C pré-explosivas podem produzir $^{44}$Ti em quantidades que rivalizam ou excedem os rendimentos explosivos, potencialmente explicando os rendimentos observados sem exigir parâmetros explosivos finamente ajustados.
2. A física de mistura 3D pode aumentar $^{44}$Ti em modelos 1D sem modificar os rendimentos de $^{56}$Ni, oferecendo uma solução potencial para a discrepância onde modelos 1D superproduzem $^{56}$Ni para corresponder a $^{44}$Ti.
3. A distribuição assimétrica e fragmentada de $^{44}$Ti em remanescentes como Cassiopeia A pode ser uma assinatura da origem pré-explosiva em uma fusão de cascas O-C, preservando as características de fluxo não radial da fusão.

Os autores mantêm uma postura modesta, observando que seus rendimentos são "exploratórios e não preditivos" porque as simulações negligenciam efeitos de feedback na evolução de temperatura e densidade que exigiriam cálculos completos de evolução estelar. Além disso, eles enfatizam que simulações 3D da própria explosão ainda são necessárias para capturar totalmente a nucleossíntese e corresponder às observações de ambos $^{44}$Ti e $^{56}$Ni, mesmo que uma fusão de cascas tenha ocorrido. Trabalhos futuros devem abordar a relação entre perturbações induzidas pela fusão e a dinâmica subsequente da explosão.