[논문 리뷰] Luminous Fast Blue Optical Transients and Type Ibn/Icn SNe from Wolf-Rayet/Black Hole Mergers

Brian D. Metzger|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 08.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 168인용 수 88

한 줄 요약

이 논문은 빛나는 빠른 파란 광학성우변이(LFBOTs)와 Ia형 특수 초신성(Type Ibn/Icn)이 이원성계에서 월프-레이트 항성(Wolf-Rayet star)이 블랙홀 또는 중성자별에 의해 tidal disruption와 초과흡착을 겪는 것으로 제안하며, 이는 유물 공전이중성우디스크의 각운동량 손실로 인해 긴 지연(≥100년)을 겪는다. 이 모델은 디스크-바람 기반의 외출류와 중심 엔진에서 발생하는 X선 재처리를 통해 빠른 상승, 높은 빛의 세기, 낮은 56Ni 생성량, 비대칭적인 물질분포, 변동성이 있는 X선 방출을 설명하며, 융합 지연 시간 스케일을 통해 SNe Ibn/Icn와 통합된다.

ABSTRACT

Progenitor models for the "luminous" subclass of Fast Blue Optical Transients (LFBOTs; prototype: AT2018cow) are challenged to simultaneously explain all of their observed properties: fast optical rise times < days; peak luminosities >1e44 erg/s; low yields <0.1 Msun of 56Ni; aspherical ejecta with a wide velocity range (<3000 km/s to > 0.1-0.5 c with increasing polar latitude); presence of hydrogen-depleted-but-not-free dense circumstellar material (CSM) on radial scales from ~1e14 cm to ~3e16 cm; embedded variable source of non-thermal X-ray/gamma-rays, suggestive of a compact object. We show that all of these properties are consistent with the tidal disruption and hyper-accretion of a Wolf-Rayet (WR) star by a black hole (BH) or neutron star (NS) binary companion. In contrast with related previous models, the merger occurs with a long delay (>~ 100 years) following the common envelope (CE) event responsible for birthing the binary, as a result of gradual angular momentum loss to a relic circumbinary disk. Disk-wind outflows from the merger-generated accretion flow generate the 56Ni-poor aspherical ejecta with the requisite velocity range. The optical light curve is powered primarily by reprocessing X-rays from the inner accretion flow/jet, though CSM shock interaction also contributes. Primary CSM sources include mass-loss from WR star (e.g., from the L2 point) during the earliest stages of the merger (~<1e14 cm) and the relic CE disk and its photoevaporation-driven wind (>~ 1e16 cm). Longer delayed mergers may instead give rise to supernovae Type Ibn/Icn (depending on the WR evolutionary state), potentially connecting these transient classes with LFBOTs.

연구 동기 및 목표

• LFBOTs의 다중 파장 성질을 설명하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해, 빠른 상승 시간, 높은 빛의 세기, 낮은 56Ni 생성량, 변동성이 있는 X선 방출을 설명한다.
• 지연된 WR 항성과 밀집 천체의 합체 메커니즘을 통해 LFBOTs와 Type Ibn/Icn SNe를 동일한 기원 메커니즘으로 통합한다.
• 10^14에서 10^16 cm의 척도에서 밀도가 높고 수소가 없는 환성물질(CSM)의 존재를 유물 공전이중성우디스크와 광화학적 증발 풍을 통해 설명한다.
• 중심 엔진의 X선 변동성과 콜럼프 허프 특징을 빠르고 비대칭적인 외출류에서 발생하는 재처리를 통해 설명하며, 광학적 두께 τT ≈ few로 설명한다.
• 관측된 라디오 싱크로트론 방출을 빠른 극방향 외출류와 밀도가 높은 CSM 간의 충격 상호작용과 연결하며, 전자 에너지 분포가 표준 거듭제곱 법칙에서 벗어나는 것으로 설명한다.

제안 방법

• 이원성계에서 블랙홀 또는 중성자별에 의한 월프-레이트 항성의 타이드 파괴를 모델링하며, 이는 유물 공전이중성우디스크의 각운동량 손실로 인해 긴 지연(≥100년)이 발생한다.
• 초아크레티션 속도를 갖는 GRMHD 유사 모델을 사용하며, ˙M• ∝ t^−2 및 AT2018cow와 일치하는 X선 빛의 세기로 이어진다.
• 가속 흐름에서 발생하는 디스크-바람 외출류를 시뮬레이션하여, 고속 극방향 성분(v > 0.1c)과 낮은 질량(Mfast ≈ 0.1 M⊙)을 가진 비대칭 외출류를 생성하며, 이는 광학 상승 시간과 일치한다.
• 빠른 극방향 외출류에서 X선 재처리를 계산하며, 광학 빛의 세기 변화는 주로 재처리에 의해 발생하고, 보조적으로 CSM 충격 상호작용에 의해 발생한다.
• 유물 공통-envelope 디스크와 그 광화학적 증발 풍을 통해 CSM 질량과 밀도를 추정하며, 반경 범위는 ∼10^16 cm이며, n ≳10^5 cm⁻³로 추정되며, 이는 라디오 방출과 일치한다.
• 내부 디스크 영역에서의 56Ni 생성량을 예측하여 ≲10⁻² M⊙로 추정하며, 이는 LFBOTs와 Ibn/Icn SNe에서 관측된 낮은 56Ni 생성량과 일치한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지연된 월프-레이트 항성이 블랙홀 또는 중성자별과 합체하는 과정이 LFBOTs의 빠른 상승, 높은 빛의 세기, 낮은 56Ni 생성량을 설명할 수 있는가?
• RQ2 3000 km s⁻¹에서 >0.1c의 속도를 가진 비대칭 외출류가 단일 사건에서 어떻게 생성될 수 있는가?
• RQ3 관측된 변동성이 있는 X선 주도 방출, 콜럼프 허프 특징, 준주기적 진동을 생성하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 10^14–10^16 cm 척도에서 밀도가 높고 수소가 없는 CSM는 어떻게 생성되며, 라디오 및 광학 방출에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 Type Ibn/Icn SNe의 관측된 성질을 지연된 합체를 포함하는 동일한 기원 시나리오를 통해 LFBOTs와 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 아르네트 관계를 통해 AT2018cow의 광학 상승 시간을 재현하며, 속도가 >0.1c인 고속 극방향 외출류 질량 ≈0.1 M⊙가 필요하다고 요구한다.
• X선 광도 곡선은 중심 엔진에서 방출되는 변동성이 있는 X선의 재처리에 의해 주로 공급되며, 약 30일 후에는 LX ∝ t^−4의 감쇠율을 보인다.
• 콜럼프 허프 특징은 파wer-라우트 스펙트럼이 빠른 극방향 쉘을 통과하면서 재처리되면서 발생하며, 투명도 τT ≈ few로 설명되며, 이는 Mfast ≈ 0.1 M⊙를 요구한다.
• 디스크-바람 외출류에서의 56Ni 생성량은 ≲10⁻² M⊙로 예측되며, 이는 광학 곡선에서 후기 피크가 관측되지 않는 것과 일치한다.
• 라디오 방출은 빠른 외출류(v ≈ 0.1–0.2c)와 밀도가 높은 CSM(n ≳10^5 cm⁻³) 간의 충격 상호작용으로 설명되며, 반경 r ≈ 10^16 cm에서 발생하며, 이는 유물 공전이중성우디스크와 그 광화학적 증발 풍에서 기인한다.
• 디스크 수명을 초과하는 더 긴 지연 시간은 H-rich CSM가 거의 없거나 없는 SNe Ibn/Icn를 유도하며, 이는 LFBOTs와 동일한 합체 기반의 임펄스 현상으로 통합된다.