[論文レビュー] Neutron star natal kicks: Collisions, $μ$TDEs, faint SNe, GRBs and GW sources with preceding electromagnetic counterparts

Erez Michaely, Dimitry Ginzburg+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

本稿は連星系における中性子星(NS)の初期速度の影響を調査し、高エネルギーの初期速度が直接衝突、マイクロ潮汐破壊現象(μTDE)、白色矮星破壊に起因する微光超新星、X線連星の形成、および短時間スケールの重力波(GW)源を引き起こすことを示している。集団合成モデルを用いて、約10⁻⁴のNSが10⁶年未塔の合体時間を持つBH-NS連星を形成し、eLISAで検出可能であることが判明した。また、aLIGOのGW源には、事前にタイプIb/cの超新星電磁的対応が存在する可能性がある。

ABSTRACT

Based on the observed high velocity of pulsars it is thought that neutron stars (NSs) receive a significant velocity kick at birth. Such natal kicks are considered to play an important role in the the evolution of binary-NS systems. The kick given to the NS (together with the effect of mass loss due to the supernova explosion of the NS progenitor) may result in the binary disruption or lead to a significant change of the binary orbital properties. Here we explore in detail the dynamical aftermath of natal kicks in binary systems, determine their possible outcomes and characterize their relative frequency, making use of analytic arguments and detailed population synthesis models. In a fraction of the cases the kick may cast the NS in such a trajectory as to collide with the binary companion, or pass sufficiently close to it as to disrupt it (micro tidal disruption event; $μ$TDE), or alternatively it could be tidally-captured into a close orbit, eventually forming an X-ray binary. We calculate the rates of direct post-kick physical collisions and the possible potential production of Thorne-Zytkow objects or long-GRBs through this process, estimate the rates X-ray binaries formation and determine the rates of $μ$TDEs and faint supernovae from white dwarf disruptions by NSs. Finally we suggest that natal kicks can produce BH-NS binaries with very short gravitational-wave merger time, possibly giving rise to a new type of promptly appearing eLISA gravitational wave (GW) sources, as well as producing aLIGO binary-merger GW sources with a unique (likely type Ib/c) supernova electromagnetic counterpart which precedes the GW merger.

研究の動機と目的

• 連星系における中性子星の初期速度が引き起こす力学的結果（衝突、潮汐破壊、近接軌道への捕獲など）を特徴づけること。
• μTDEや白色矮星破壊に起因する微光超新星、Thorne-Zytkow物体の形成といった希少な遷移的現象の発生率を推定すること。
• eLISAやaLIGOのような短時間スケールの重力波源の生成を検討し、それらに先行する電磁的対応があるかを調査すること。
• 初期速度がX線連星や短い合体時間を持つBH-NS系を形成するのにおける役割を定量化すること。
• 急速な降着や衝突によって長期間持続するGRBや特異星体が形成される可能性について、初期速度の影響を評価すること。

提案手法

• 587,019個の連星系を対象に集団合成を実施し、中性子星形成まで進化を追跡した。
• 超新星発生時の軌道位相をランダムに設定し、初期速度をσ_kick = 270 km/s（比較用に190 km/s）のマクスウェル分布から抽出した。
• 軌道力学とキックベクトルの向きを用いて、NSとその伴星との最小接近距離r_minを計算した。
• r_minを伴星半径R_sおよびNS半径R_NSと比較して結果を分類した：衝突（r_min < R_s + R_NS）、μTDE（R_s + R_NS < r_min < R_s (2m_NS/m_s)^{1/3}）、潮汐捕獲。
• 解析的モデルを用いて、結果の確率を支配する主要なパラメータ（キック速度、質量損失、長半径）を同定した。
• μTDE、微光超新星、X線連星、TZO形成、電磁的前駆を伴うGW源の発生率を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星の初期速度のうち、どれくらいの割合が連星の伴星と直接物理的衝突を引き起こすか？
• RQ2 中性子星とその伴星の接近によるマイクロ潮汐破壊現象(μTDE)の発生率はどの程度か？
• RQ3 初期速度は中性子星X線連星を形成可能か？そのうち高質量または低質量X線連星を形成する割合はどの程度か？
• RQ4 初期速度はeLISAやaLIGOのような短時間スケールの重力波源を形成するか？また、それらに先行する電磁的対応があるか？
• RQ5 NSが質量の大きな星や白色矮星と衝突することで、急速な降着とブラックホール形成によってThorne-Zytkow物体や長期間持続するGRBが生成可能か？

主な発見

• 中性子星と主系列星の衝突率は約9 × 10⁻⁵ yr⁻¹であり、衝突までの中央値時間は約1.17 × 10⁶秒（約13日）である。これは、前身の超新星がまだ観測可能である間に衝突が発生することを示唆している。
• マイクロ潮汐破壊現象(μTDE)の発生率は約10⁻⁴ yr⁻¹と推定され、その大部分が超新星爆発の数日から数週間以内に発生する。
• 白色矮星が中性子星によって破壊される微光超新星の発生率は約10⁻⁴ yr⁻¹と予想され、NSの前身が剥ぎ取り型であるため、タイプIb/cに該当すると考えられる。
• 約1–3 × 10⁻⁴のNSが近接軌道に捕獲されX線連星となる。156個の捕獲システムのうち11個が低質量主系列星を伴う（LMXBの可能性あり）。
• 約10⁻⁴のNSが合体時間が10⁶年未塔のBH-NS連星を形成し、eLISAで検出可能かつ電磁的前駆を伴う可能性がある。
• aLIGOのBH-NS合体に起因するGW源の多くは、短いキック後の合体時間のため、事前にタイプIb/c超新星の電磁的対応が存在する可能性がある。