[논문 리뷰] Constraining the long-lived supramassive neutron stars by magnetar boosted kilonovae

Hao Wang, Paz Beniamini외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 17.

Gamma-ray bursts and supernovaePhysics and Astronomy참고 문헌 89인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이진 중성자별 병합에서 형성된 장수명 초질량 뉴트론별(SMNS)에서 발생하는 에너지 주입으로 인해 발생하는 매우 밝은 일시적 천체인 마그네타르-보팅 킬로노바를 모델링한다. 마그네타르 감속, 방사성 물질의 진화, X선 광이온화를 고려한 정밀한 시뮬레이션을 통해 저자들은 이러한 사건이 관측되지 않은 것으로부터 SMNS의 에너지 주입이 이론적 한계보다 훨씬 낮다는 것을 보여주며, 이는 초단시간 내에 붕괴되어야 하며, 따라서 SMNS 수명이 짧고 천문학적으로 드문 일어나는 사건임을 제약한다.

ABSTRACT

Kilonovae are optical transients following the merger of neutron star binaries, which are powered by the r-process heating of merger ejecta. However, if a merger remnant is a long-lived supramassive neutron star supported by its uniform rotation, it will inject energy into the ejecta through spindown power. The energy injection can boost the peak luminosity of a kilonova by many orders of magnitudes, thus significantly increasing the detectable volume. Therefore, even if such events are only a small fraction of the kilonovae population, they could dominate the detection rates. However, after many years of optical sky surveys, no such event has been confirmed. In this work, we build a boosted kilonova model with rich physical details, including the description of the evolution and stability of a proto neutron star, and the energy absorption through X-ray photoionization. We simulate the observation prospects and find the only way to match the absence of detection is to limit the energy injection by the newly born magnetar to only a small fraction of the neutron star rotational energy, thus they should collapse soon after the merger. Our result indicates that most supramassive neutron stars resulting from binary neutron star mergers are short lived and they are likely to be rare in the Universe.

연구 동기 및 목표

• 장수명 초질량 뉴트론별(SMNS)에서 발생하는 에너지 주입으로 인해 표준 킬로노바보다 수개의 순위 밝을 수 있는 마그네타르-보팅 킬로노바의 탐지 가능성 이해.
• 이러한 사건의 탐지 가능 부피가 매우 크다는 데 반해, 다수 년에 걸친 광학 탐색에서 그들이 발견되지 않은 것 사이의 명백한 모순를 해결.
• 관측되지 않은 사건들을 핵심 관측적 제약 조건으로 삼아, 신생 마그네타르에서 방사성 물질으로의 에너지 주입 효율을 제약.
• 이중 중성자별 병합 잔재물의 상태 방정식 및 중심 엔진 물리학에 대한 영향 분석.

제안 방법

• 초기 마그네타르의 감속 진화를 포함한 세밀한 보팅 킬로노바 모델 개발. 이는 자기 dipole 복사에 의한 회전 에너지 손실을 수반함.
• 복사 전달 및 이온화 상태 진화를 고려한 X선 광이온화를 통한 에너지 침투 추적.
• 방사성 물질 팽창과 냉각 효과를 포함한 광학 및 근적외선 대역에서의 광선 곡선 및 스펙트럼 에너지 분포 시뮬레이션.
• 깊은 광학 탐색에서 이러한 사건이 관측되지 않은 것을 비교하여 에너지 주입 비율 제약.
• 모델 의존적 및 모델 독립적 분석을 수행하여 탐지 빈도의 통계적 의미 평가.
• 마그네타르 풍의 기포 내에서의 레이놀즈-타일러 불안정성 성장과 같은 불안정성 메커니즘을 통합하여 폭발파 형성 및 이후광 방출 평가.

Figure 1: Illustration of the structure of the post-merger system. The system is composed by an inner pulsar wind nebula (PWN) inflated by a magnetar, and an outer ejecta shell. The PWN is composed by X-ray photons and electron-positron pairs. The X-ray radiation ionize and heat the ejecta, leading

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신생 마그네타르의 회전 에너지 중 얼마나 많은 비율이 방사성 물질에 주입되어 탐지 가능한 마그네타르-보팅 킬로노바를 생성해야 하는가?
• RQ2 그들의 탐지 가능 부피가 매우 클 뿐만 아니라, 왜 다수 년에 걸쳐 마그네타르-보팅 킬로노바가 탐지되지 않았는가?
• RQ3 초질량 뉴트론별의 안정성과 진화가 보팅 킬로노바의 빛의 세기와 광선 곡선에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측되지 않은 사건들로부터 초질량 뉴트론별의 수명과 형성 빈도에 어떤 함의가 있는가?
• RQ5 마그네타르 풍이 방사성 물질으로 빠져나오면서 형성되는 상대론적 폭발파가 고립된 이후광의 부재를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 관측되지 않은 마그네타르-보팅 킬로노바는 마그네타르의 회전 에너지 중 1퍼센트 미만의 비율만이 방사성 물질에 주입될 수 있음을 시사하며, 이는 효율적인 에너지 전달을 배제한다.
• 이중 중성자별 병합에서 형성된 초질량 뉴트론별은 형성 후 몇 초 내지 수 분 내에 붕괴되어야 하며, 이는 짧은 수명을 가지며 장기간 안정되지 않음을 의미한다.
• 모델은 보팅 킬로노바의 최대 빛의 세기와 SMNS 생존 시간 척도에 매우 민감하다고 예측하며, 더 긴 수명은 훨씬 더 밝고 탐지 가능성이 높은 일시적 천체로 이어진다.
• 폭발파의 붕괴로 인한 고립된 이후광이 관측되지 않은 것은 이러한 사건이 드물다는 것을 시사하며, SMNS의 빠른 붕괴를 더욱 뒷받침한다.
• 장수명으로 빠르게 회전하는 SMNS에서 발생하는 중력파 방출은 감지 가능할 가능성이 낮으며, 관측되지 않은 사실과 일치하지 않는 타원도와 시간 스케일이 필요하기 때문이다.
• 결과적으로 SMNS 형성은 천문학적으로 드문 일어나며, 오직 병합의 소수의 일부에서만 이러한 짧은 수명의 잔재를 생성할 수 있음을 암시한다.

Figure 2: The Monte Carlo simulation result of absorption, reflection, and transmission rate of a slab caused by both absorption and scattering processes. The red lines show the contour plot of $A^{\rm tra}$ as a function of optical depth of two processes, and the blue lines are the $A^{\rm ref}$ .