[論文レビュー] The demographics of neutron star - white dwarf mergers: rates, delay-time distributions and progenitors

Silvia Toonen, Hagai B. Perets+3 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Apr 4, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 118被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、二重星系合成モデルを用いて中性子星-白色矮星（NS-WD）合体の人口統計を特徴づけ、その発生率、遅延時間分布（DTD）、前身系、観測的性質を予測する。NS-WD合体はタイプIa超新星の発生率の3–15％に相当し、若年（100 Myr–1 Gyr）の星形成銀河でピークを示し、カルシウム豊富なSNeではなく、急速に変化する暗いIc型に類似した瞬間的変光天体と強く関連している。また、顕著な初期キックを伴うモデルでは、数百キロパーセクにわたるオフセットが生じる。

ABSTRACT

The mergers of neutron stars (NSs) and white dwarfs (WDs) could give rise to explosive transients, potentially observable with current and future transient surveys. However, the expected properties and distribution of such events is not well understood. Here we characterize the rates of such events, their delay time distribution, their progenitors and the distribution of their properties. We use binary populations synthesis models and consider a wide range of initial conditions and physical processes. In particular we consider different common-envelope evolution models and different NS natal kick distributions. We provide detailed predictions arising from each of the models considered. We find that the majority of NS-WD mergers are born in systems in which mass-transfer played an important role, and the WD formed before the NS. For the majority of the mergers the WDs have a carbon-oxygen composition (60-80%) and most of the rest are with oxygen-neon WDs. The rates of NS-WD mergers are in the range of 3-15% of the type Ia supernovae (SNe) rate. Their delay time distribution is very similar to that of type Ia SNe, but slightly biased towards earlier times. They typically explode in young 0.1-1Gyr environments, but have a tail distribution extending to long, Gyrs-timescales. Models including significant kicks give rise to relatively wide offset distribution extending to hundreds of kpcs. The demographic and physical properties of NS-WD mergers suggest they are likely to be peculiar type Ic-like SNe, mostly exploding in late type galaxies. Their overall properties could be related to a class of rapidly evolving SNe recently observed, while they are less likely to be related to the class of Ca-rich SNe.

研究の動機と目的

• 中性子星-白色矮星（NS-WD）合体の発生率、遅延時間分布（DTD）、前身系を特徴づけること。
• 合体系における白色矮星の組成（CO、ONe、He）の分布を特定すること。
• NS-WD合体の観測的特徴、特に急速に変化する瞬間的変光天体やカルシウム豊富なSNeのような珍しい瞬間的変光天体との関連を評価すること。
• 初期キックと共通エンvelope過程が合体地点の空間的オフセットおよび宿主銀河環境に与える影響を評価すること。
• 合成された合体発生率を、特にカルシウム豊富なSNeや急速に変化するSNeの観測された発生率と比較すること。

提案手法

• 初期条件が多様な孤立した原始二重星系の進化を模擬するために、二重星系合成（BPS）モデルが用いられる。
• 共通エンvelope過程に関する仮定（αα、αα2、γα）と中性子星の初期キック分布（例：マクスウェル分布、トッピング分布）を変化させた複数のモデルを実行する。
• 質量移動、共通エンvelope段階、およびコンパクト天体二重星系（NS-WD系を含む）の形成を追跡する。
• 遅延時間分布（DTD）は、中性子星を形成する超新星爆発から最終合体までの時間を追跡することで算出される。
• 合体発生率は、観測されたタイプIa超新星発生率に正規化された単位星質量あたりで計算される。
• 宿主銀河環境は、DTDとオフセット分布から推定され、特に矮星銀河における星の密度と脱出速度に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NS-WD合体の時間積分発生率は、タイプIa超新星およびWD-WD合体に対してそれぞれどの程度か？
• RQ2 NS-WD合体の遅延時間分布（DTD）はどのようなものか？また、タイプIaSNeのDTDと比較するとどうなるか？
• RQ3 NS-WD合体の主な前身系と白色矮星の組成（CO、ONe、He）は何か？
• RQ4 初期キックは、NS-WD合体地点の宿主銀河からの空間的オフセットにどのように影響するか？
• RQ5 NS-WD合体は、観測されたカルシウム豊富なSNeや急速に変化するSNeの性質と整合性があるか？

主な発見

• NS-WD合体の時間積分発生率は、モデルの仮定に応じて観測されたタイプIa超新星発生率の3–15％と推定される。
• NS-WD合体の遅延時間分布（DTD）は、初期にピーク（<1–2 Gyr）を示し、ハッブル時間まで尾を引く分布を示す。
• 合体に至る白色矮星の大部分（60–80％）は炭素酸化物（CO）白色矮星であり、酸化物ネイミウム（ONe）白色矮星は少数、ヘリウム（He）白色矮星は無視できるほど少ない。
• 顕著な中性子星初期キックを含むモデルでは、特に低質量の矮星銀河において、合体地点のオフセットが最大300 kpcに達することがある。
• NS-WD合体は、スペクトル的およびDTD的類似性から、カルシウム豊富なSNeではなく、急速に変化し、暗くIc型に類似したSNeと最も整合性がある。
• 合成された合体発生率は、カルシウム豊富なSNeの高い観測発生率（SNe Ia発生率の33–94％）とは整合せず、これらの現象の背後には他の前身系が存在する可能性を示唆する。