[論文レビュー] Fast Luminous Blue Transients from Newborn Black Holes

Kazumi Kashiyama, Eliot Quataert|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、質量の大きな青超巨星またはWolf-Rayet星がブラックホールへ直接崩壊する過程で形成される降着円盤のフォールバックによる超Eddington風が、高速な明るい青トランジエンス（FLB）を引き起こすと提案する。モデルは、ピーク放射度が $10^{42-43}\ \text{erg s}^{-1}$、持続時間が3–10日間、スペクトルが中程度質量の元素で支配されるUV-光学トランジエンスを予測し、Pan-STARRSおよびPTFの観測と整合的である。他のモデルとは、数年以内に検出可能な電波後光という特徴で区別可能である。

ABSTRACT

Newborn black holes in collapsing massive stars can be accompanied by a fallback disk. The accretion rate is typically super-Eddington and strong disk outflows are expected. Such outflows could be directly observed in some failed explosions of compact (blue supergiants or Wolf-Rayet stars) progenitors, and may be more common than long-duration gamma-ray bursts. Using an analytical model, we show that the fallback disk outflows produce blue UV-optical transients with a peak bolometric luminosity of ~10^(42-43) erg s^-1 (peak R-band absolute AB magnitudes of -16 to -18) and an emission duration of ~ a few to ~ 10 days. The spectra are likely dominated intermediate mass elements, but will lack much radioactive nuclei and iron-group elements. The above properties are broadly consistent with some of the rapid blue transients detected by Pan-STARRS and PTF. This scenario can be distinguished from alternative models using radio observations within a few years after the optical peak.

研究の動機と目的

• Pan-STARRSおよびPTFで検出された、強力な放射性崩壊の痕跡を示さない高速な明るい青トランジエンス（FLB）の起源を説明すること。
• 小型の前身星における失敗した超新星の過程で形成されるフォールバック降着円盤が、観測可能な電磁的トランジエンスを駆動できるかどうかを調査すること。
• ショックブレイクや放射性崩壊駆動型トランジエンスといった代替モデルとこのシナリオを区別すること。
• 観測的に検証可能な観測的特徴、特に電波後光を予測すること。

提案手法

• 質量の大きな星におけるブラックホール直接形成に伴い形成されるフォールバックディスクからの超Eddington降着円盤風の解析的モデリング。
• エネルギー予算と放射効率の推定を用いて、円盤が $r \sim 10 \times GM_{\text{BH}}/c^2$ で円形化すると仮定し、ディスク風からの熱放射の計算。
• エネルギー保存則と運動量フラックスの議論を用いて、風の速度、温度、放射度を推定し、$v_{\text{out}} \sim 10^5\ \text{km s}^{-1}$ となる。
• 銀河間物質における前方ショックからのシンクロtron放射のモデリングを行い、GHz周波数帯で検出可能な電波後光を予測。
• スペクトル的特徴（UVラインの遮蔽がなく、鉄族元素が欠如）を組み込み、組成とエネルギー源を制約。
• 標準的な後光モデル（Chevalier, 1998; Nakar \& Piran, 2011）を用いて電波フラックスを推定し、$\epsilon_e = \epsilon_B = 0.1$ および $p = 3$ を仮定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 青超巨星またはWolf-Rayet星の失敗した超新星における新生ブラックホールからのフォールバックディスク風が、高速な明るい青トランジエンスを生成できるか？
• RQ2 このようなディスク駆動型トランジエンスの予想される放射度、持続時間、スペクトル的特徴は何か？
• RQ3 ショックブレイクや放射性崩壊駆動型トランジエンスといった代替モデルと、このモデルはどのように区別できるか？
• RQ4 どのような電波後光の特徴が予想され、現在の観測台で検出可能か？
• RQ5 FLBの観測頻度と宿主銀河環境は、フォールバックディスク形成の広がりに何を示唆するか？

主な発見

• フォールバックディスク風モデルは、ピーク全波動放射度が $\sim 10^{42-43}\ \text{erg s}^{-1}$ のトランジエンスを生成し、観測されたFLBと整合的である。
• 放射持続時間は $\sim$ 3–10日間であり、観測された高速青トランジエンスの短い timescale と一致する。
• スペクトルは炭素、酸素、ネオン、マグネシウムといった中程度質量の元素で支配され、$^{56}\text{Ni}$ や鉄族元素の寄与はほとんどないため、UVライン遮蔽の欠如が説明できる。
• 風の運動エネルギーは $\sim 10^{52}\ \text{erg}$ に達し、これにより前方ショックが発生し、検出可能な電波後光（ピークフラックス $\sim 0.1\ \text{mJy}$）がGHz周波数帯で発生する。
• 冷却放射によるソフトX線放射は $\sim 0.1-10\ \text{keV}$ でピークを示し、放射度は $\gtrsim 10^{43}\ \text{erg s}^{-1}$、持続時間は $\sim 100\ \text{s}$ であり、eROSITAで検出可能である可能性がある。
• このモデルは長期間ガンマ線バーストよりも高い発生率を予測しており、コアコリプス超新星に対する観測された $4\mbox{-}7\%$ のFLB頻度と整合的である。