[論文レビュー] Formation of Fast-spinning Neutron Stars in Close Binaries and Magnetar-driven Stripped-envelope Supernovae

Rui-Chong Hu, Jin-Ping Zhu+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 7

ひとこと要約

潮汐によるヘリウム星の近接連星でのスピンアップを介した共通エンベロープ(CEE)および安定質量移動(SMT)経路が、コア崩壊時に高速回転磁気中性子星を形成できることを示し、観測されたエネルギー– ejecta質量相関を再現し、磁気中性子星駆動のSESNeの宇宙学的発生率密度を金属量を跨いで一致させる。

ABSTRACT

Extreme stripped-envelope supernovae (SESNe), including Type Ic superluminous supernovae (SLSNe-I), broad-line Type Ic SNe (SNe Ic-BL), and fast blue optical transients (FBOTs), are widely believed to harbor a newborn fast-spinning highly-magnetized neutron star (``magnetar''), which can lose its rotational energy via spin-down processes to accelerate and heat the ejecta. The progenitor(s) of these magnetar-driven SESNe, and the origin of considerable angular momentum (AM) in the cores of massive stars to finally produce such fast-spinning magnetars upon core-collapse are still under debate. Popular proposed scenarios in the literature cannot simultaneously explain their event rate density, SN and magnetar parameters, and the observed metallicity. Here, we perform a detailed binary evolution simulation that demonstrates that tidal spin-up helium stars with efficient AM transport mechanism in close binaries can form fast-spinning magnetars at the end of stars' life to naturally reproduce the universal energy-mass correlation of these magnetar-driven SESNe. Our models are consistent with the event rate densities, host environments, ejecta masses, and energetics of these different kinds of magnetar-driven SESNe, supporting that the isolated common-envelope formation channel could be a major common origin of magnetar-driven SESNe. The remnant compact binary systems of magnetar-driven SESNe are progenitors of some gravitational-wave transients and galactic systems.

研究の動機と目的

• 磁気中性子星駆動SESNeがどのように形成されるか、そしてなぜその角運動量が非常に大きいのかを理解する必要性を動機付け、説明する。
• 近接連星での潮汐スピンアップが、サブソラールからスーパソラール金属量範囲で高速回転磁気中性子星をコア崩壊時に生み出せることを示す。
• SLSNe、GRB-SNe、SNe Ic-BL、FBOTに観測される普遍的な初期磁気中性子星エネルギー– ejecta質量相関を再現する。
• 孤立CEEおよびSMTチャネルが磁気中性子星駆動SESNeのイベント発生率密度と宿主環境を説明できることを示す。

提案手法

• 潮汐とAM輸送を含む近接連星のヘリウム星を対象としたMESAコードによる詳細な二重星進化シミュレーションを実施。
• 拡散的回転混合とトーイラー・スプリット発電機を含む角運動量輸送を採用（比較用に改訂版を用意）。
• AM保存則と経験的な M_CO–M_NS,b 関係からコア崩壊時の初期磁気中性子星回転エネルギーを計算し、Ejecta質量 M_ej を導出。
• BSEコードを用いた二重星集団合成を実施し、金属量を跨いでSLSNe、lGRB、SNe Ic-BL、FBOTの赤方偏移依存のイベント発生率密度を推定。
• 観測データの磁気中性子星駆動SESNe (P_rot,i, M_ej) を組み合わせ、金属量を跨ぐ simulated E_rot,i–M_ej 関係と比較。
• 爆発時の共伴星のタイプを推定し、残骸の運命および重力波源の潜在性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CEE/SMTチャネルを介した近接連星での潮汐スピンアップは、金属量範囲全体で磁気中性子星駆動SESNeに必要な高速スピン磁気中性子星を生み出せるか。
• RQ2 モデルはSLSNe、GRB-SNe、SNe Ic-BL、FBOTを結ぶ普遍的な E_rot,i–M_ej 相関を再現できるか。
• RQ3 磁場駆動 SESNe の赤方偏移依存の発生率密度はどの程度予測され、観測と金属量環境でどのように比較されるか。
• RQ4 爆発時の可能な二重星構成と伴星タイプは何で、残骸および重力波源にどのような影響があるか。
• RQ5 金属量とAM輸送効率は、高速磁気中性子星の形成や磁気中性子星駆動SESNeの抑制・促進にどの程度影響を与えるか。

主な発見

• 近接連星のヘリウム星（M_He,i ≈ 5–40 M_sun）を含むシステムは、P_orb,i ≲ 1–2日で、観測された E_rot,i–M_ej 相関に整合する高速磁気中性子星回転を達成できる。
• サブソラール〜太陽金属量では、多くのSLSNe、GRB-SNe、およびSNe Ic-BLは近接連星での潮汐スピンアップによって生産可能であり、観測された宿主金属量およびejecta質量と一致する。
• FBOTsは、低質量のヘリウム星（M_He,i ≲ 5 M_sun）を持つ連星で説明され、P_orb,i ≲ 10日程度のものであっても、十分な残骸エネルギーがあればより広い連星系でも起源となり得る。
• 超過金属量では、より強い風により利用可能な角運動量が減少し、磁気中性子星駆動SESNeを抑制し、普通のSNe Icのアウトカムを促進する。
• 二重星集団合成は、金属量とビーム効果を考慮した場合、SLSNおよびlGRBの発生率密度を観測と同程度に予測し、FBOTの発生率密度は観測推定値（CC SNの約1%程度）に近い。
• ほとんどの磁気中性子星駆動SESNeは、MS伴星を伴う近接連星で最初に潮汐スピンアップしたヘリウム星由来が多く、CEEが主要な形成チャネルであり、生存NS二重星への重要な影響を持つ。