[論文レビュー] Short Gamma-Ray Bursts following mergers of an ONeMg with a CO white dwarf

Maxim Lyutikov, Silvia Toonen|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ONeMg白色矮星とCO白色矮星の合体に続く降着誘発的収縮（AIC）によって、短時間ガンマ線バースト（GRB）が発生しうると提案している。初期のGRB放射は降着円盤を経由せずに直接的収縮によって生じるが、延長放射と後光は未燃焼の殻状物質の降着および相対論的風によるものであり、2.5 M☉を超える安定な降着後の中性子星を前提としないNS-NS合体モデルとは対照的に、観測された延長放射やフレアとより整合性の高い説明を提供する。

ABSTRACT

We discuss a scenario of short Gamma-Ray Bursts (GRBs) following a merger of a massive ONeMg white dwarf (WD) with a CO WD, and an ensuing accretion induced collapse (AIC). An initial system with the primary mass $M_1 \sim 6-10 \, M_\odot$ and the secondary mass $M_2 \sim 3-6\, M_\odot$ forms, via two distinct evolutionary channels, a double degenerate CO-ONeMg WD system. For sufficiently large mass ratio $q \equiv M_2/M_1 > q_{crit} \sim 0.25$ the ensuing gravitational wave-driven mass transfer is unstable, whereby the less massive CO WD is disrupted and transfers its mass to the primary ONeMg WD on a few orbital time scales. The merger product ignites shell CO burning, adding mass to the degenerate core; at the same time mass and angular momentum is lost due to powerful winds. For an ONeMg WD sufficiently close to the Chandrasekhar mass an electron-capture accretion induced collapse (AIC) follows $\sim 10^4$ years afterwards. We associate the prompt short GRB emission with a direct collapse of an ONeMg WD to a neutron star, without formation of an accretion disk. After the collapse the accretion of the unburnt part of the shell onto the newly formed NS powers the extended emission (EE). During the collapse the neutron star is spun to millisecond periods and produce long lasting relativistic winds that shock against the material lost during the shell-burning stage, and produce afterglow emission from the wind termination shock.

研究の動機と目的

• 短時間GRBのNS-NS合体モデルにおける矛盾、特に10^5秒に達する長時間にわたる延長放射やフレアの観測と整合性をとるため。
• 2.5 M☉を超える質量を有する安定な降着後の中性子星に依存しない、長期間にわたる放射を生じる短時間GRBの代替的中心エンジンメカニズムを探索するため。
• ONeMg+CO白色矮星連星における降着誘発的収縮（AIC）が、観測可能な後光と延長放射を伴う短時間GRBの源として実現可能かどうかを検討するため。
• 相対論的風と殻状物質の相互作用をモデル化し、初期後光の特徴と非等方的放射パターンを説明するため。
• このような出来事の希少性とパラメータ空間を評価し、白色矮星合体のうちわずか10%未満（超チャンドラセカール系のうち）が短時間GRBを生成可能であることを強調するため。

提案手法

• 質量比 q > 0.25 のONeMg+CO白色矮星連星における重力波駆動降着移動をモデル化し、不安定な降着移動とCO白色矮星の破壊を引き起こす。
• ONeMgコア上に降着されたCO物質における殻燃焼をシミュレートし、質量と角運動量が増加する一方で、強力な風が質量と角運動量を放出する。
• チャンドラセカール限界に近いONeMg白色矮星が、合体後約10^4年後に電子捕獲誘発収縮（AIC）を経て収縮する条件を計算する。
• 初期GRB放射が降着円盤を経由せずにONeMg白色矮星の直接的収縮によって生じ、ミリ秒周期にまでスピンアップするという仮説を提示する。
• 延長放射が、新たに形成された中性子星への未燃焼殻状物質の降着によって駆動され、観測された延長尾と一致する時系列を示す。
• 相対論的パulsar風と事前の収縮風、および殻状物質の相互作用をシミュレートし、風終端衝撃面で後光放射が発生する仕組みをモデル化する。これは長時間GRBの後光と類似している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された短時間GRBの延長放射やフレアは、安定な降着後中性子星とは異なる中心エンジンによって説明可能か？
• RQ2 白色矮星-白色矮星合体に続くONeMg白色矮星の降着誘発的収縮（AIC）は、短時間GRBを駆動する実現可能なメカニズムか？
• RQ3 相対論的風と殻状物質の相互作用は、観測と整合する後光放射を生じるか？
• RQ4 このような合体が短時間GRBを生成するには、初期質量比と軌道パラメータがどのような条件を満たす必要があるか？（タイプIa超新星や弱いトランジエンシーを避けるために。）
• RQ5 AICのバウンス噴出物が周囲の殻状物質とどのように相互作用するか？ その結果生じる放射特性は？

主な発見

• モデルは、長期間にわたる降着円盤を経由しないで、ONeMg白色矮星の直接的収縮によって初期GRB放射が発生すると説明する。
• 延長放射は、新たに形成された中性子星への未燃焼殻状物質の降着によって駆動され、観測された延長尾と一致する時系列を示す。
• 収縮中に中性子星がミリ秒周期にまでスピンアップされ、長期間にわたる相対論的風を発生させ、風終端衝撃面で後光放射を生じる。
• AICバウンス噴出物と殻状物質（M_s ~ 0.1–0.3 M☉）の相互作用により、速度が約c/3、温度が数MeV程度のやや相対論的アウトフローが生じ、長時間スケールと低エネルギー光子を示す「汚れきった」GRBを形成する。
• 殻状物質からの衝撃ブレークアウトは、全体の殻がゆっくり動いていても表面物質をやや相対論的速さに加速させ、方向性のある放射特徴を生じる。
• パルサー風の赤道方向のコリメーションと「強いプロペラ」状態における殻状物質の噴出により、非等方的放射が生じ、観測された後光の形状と整合する。