[논문 리뷰] Formation of Fast-spinning Neutron Stars in Close Binaries and Magnetar-driven Stripped-envelope Supernovae

Rui-Chong Hu, Jin-Ping Zhu외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 근접 이진계에서 공통껍질(common-envelope) 및 안정 질량 전달 채널을 통한 tidal spin-up이 코어 붕괴 시 빠르게 자전하는 자성중성자(Magnetar)를 형성할 수 있음을 보여주며, 관측된 에너지–방출질량 상관관계를 재현하고 금속도 전반에 걸친 자성중성자 구동 SESNe의 비율 밀도와 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자성중성자 구동 SESNe가 어떻게 형성되는지 이해하고 왜 이들의 각운동량이 이렇게 높은지 설명할 필요성을 동기화하고 제시한다.
• 근접 이진에서의 tidal spin-up이 sub-solar에서 super-solar 금속도에 이르기까지 코어 붕괴 시 빠르게 자전하는 자성중성자를 생산할 수 있음을 보인다.
• SLSNe, GRB-SNe, SNe Ic-BL, 및 FBOT에 대해 관찰된 보편적 초기 자성중성자 에너지–방출질량 상관관계를 재현한다.
• 고립된 common-envelope(CEE) 및 안정 질량 전달(SMT) 채널이 자성중성자 구동 SESNe의 사건률 밀도와 숙주 환경을 설명할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 조력 및 각운동량(AM) 전달을 수반하는 근접 이진계의 헬륨 항성에 대해 MESA 코드를 사용한 자세한 이진 진화 시뮬레이션을 수행한다.
• 테일러–스프이트 제너모를 포함한 확산적 회전 혼합 및 각운동량 운반을 채택한다(비교를 위한 개정 버전 포함).
• AM 보존과 경험적 M_CO–M_NS,b 관계를 이용하여 코어 붕괴로부터 초기 자성중성자 회전 에너지를 계산하고 방출질량 M_ej를 도출한다.
• BSE 코드를 사용한 이진 인구 합성으로 금속도에 걸쳐 SLSNe, lGRB, SNe Ic-BL, 및 FBOT의 빨강시(redshift) 의존 이벤트률 밀도를 추정한다.
• 자성중성자 구동 SESNe의 관측 데이터(P_rot,i, M_ej)를 모으고 금속도에 걸친 시뮬레이션 E_rot,i–M_ej 관계와 비교한다.
• 폭발 시 가능한 동반자 유형을 추정하고 잔해의 운명과 잠재적 중력파 원천을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근접 이진에서의 tidal spin-up이 CEE/SMT 채널을 통해 다양한 금속도에서도 자성중성자 구동 SESNe에 필요한 빠른 자전 자성중성자를 생성할 수 있는가?
• RQ2 모형이 SLSNe, GRB-SNe, SNe Ic-BL, 및 FBOT를 연결하는 보편적 E_rot,i–M_ej 상관관계를 재현하는가?
• RQ3 자성중성자 구동 SESNe의 적색편이 의존 비율밀도는 어떠하며 금속도 환경 간 관측치와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 폭발 시의 가능한 이진 구성과 동반자 유형은 무엇이며 잔해 및 중력파 원천에 대한 함의는 무엇인가?
• RQ5 금속도와 AM 전달 효율성이 빠른 자성중성자의 형성 및 자성중성자 구동 SESNe의 억제 또는 증가에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 근접 이진계의 헬륨 항성(M_He,i ~ 5–40 M_sun)이 P_orb,i ≲ 1–2 days인 경우 관측된 E_rot,i–M_ej 상관관성과 일치하는 빠른 자_magnetar 회전을 달성할 수 있다.
• sub-solar에서 solar 금속도에서 대부분의 SLSNe, GRB-SNe, 및 SNe Ic-BL가 근접 이진에서의 tidal spin-up으로 생성될 수 있어 관측 호스트 금속도 및 방출질량과 일치한다.
• FBOTs는 낮은 질량의 헬륨 항성(M_He,i ≲ 5 M_sun)으로 이진계에서 P_orb,i ≲ 10일 이내의 경우로 설명되며, 더 넓은 이진에서도 남은 에너지가 충분하면 기원할 수 있다.
• 초과 금속도에서 더 강한 바람이 이용 가능한 각운동량을 감소시켜 자성중성자 구동 SESNe를 억제하고 일반적인 SNe Ic 결과를 선호한다.
• Binary population synthesis는 금속도와 빔 현상을 고려할 때 SLSN과 lGRB의 비율밀도가 관측치와 비슷하게 예측되며 FBOT의 비율밀도도 CC SN의 약 1% 근처로 관측 추정치에 근접한다.
• 대부분의 자성중성자 구동 SESNe는 MS 동반자를 둔 가까운 이진에서 처음 형성된 tidal-spin-up 헬륨 항성에서 유래하며, CEE가 주요 형성 채널로 작용하고 생존 NS 이진에 상당한 시사점을 가진다.