[논문 리뷰] Neutron star natal kicks: Collisions, $μ$TDEs, faint SNe, GRBs and GW sources with preceding electromagnetic counterparts

Erez Michaely, Dimitry Ginzburg외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 29.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이중성계에서 중성자별(NS) 탄생 힘을 조사하여 고속 힘으로 인해 직접 충돌, 마이크로 tidal 파괴 사건(μTDE), 백색왜성 파괴로 인한 희미한 초신성, X선 이중성계 형성, 짧은 timescale 중력파(GW) 소스가 발생할 수 있음을 보여준다. 인구 합성 모델을 사용하여 약 10⁻⁴의 NS가 수명이 10⁶ 년 이내에 합쳐지는 BH-NS 이중성을 형성하며, eLISA로 탐지 가능하다는 것을 발견했고, aLIGO GW 소스는 이전에 유형 Ib/c 초신성의 전자기적 복사와 함께 나타날 수 있다.

ABSTRACT

Based on the observed high velocity of pulsars it is thought that neutron stars (NSs) receive a significant velocity kick at birth. Such natal kicks are considered to play an important role in the the evolution of binary-NS systems. The kick given to the NS (together with the effect of mass loss due to the supernova explosion of the NS progenitor) may result in the binary disruption or lead to a significant change of the binary orbital properties. Here we explore in detail the dynamical aftermath of natal kicks in binary systems, determine their possible outcomes and characterize their relative frequency, making use of analytic arguments and detailed population synthesis models. In a fraction of the cases the kick may cast the NS in such a trajectory as to collide with the binary companion, or pass sufficiently close to it as to disrupt it (micro tidal disruption event; $μ$TDE), or alternatively it could be tidally-captured into a close orbit, eventually forming an X-ray binary. We calculate the rates of direct post-kick physical collisions and the possible potential production of Thorne-Zytkow objects or long-GRBs through this process, estimate the rates X-ray binaries formation and determine the rates of $μ$TDEs and faint supernovae from white dwarf disruptions by NSs. Finally we suggest that natal kicks can produce BH-NS binaries with very short gravitational-wave merger time, possibly giving rise to a new type of promptly appearing eLISA gravitational wave (GW) sources, as well as producing aLIGO binary-merger GW sources with a unique (likely type Ib/c) supernova electromagnetic counterpart which precedes the GW merger.

연구 동기 및 목표

• 이중성계에서 중성자별 탄생 힘이 초래하는 천체역학적 결과, 즉 충돌, tidal 파괴, 그리고 가까운 궤도로의 포획을 특성화하기 위해.
• μTDE, 백색왜성 파괴로 인한 희미한 초신성, Thorne-Zytkow 물체 형성과 같은 희귀한 잠복 사건의 발생률을 추정하기 위해.
• eLISA 및 aLIGO 시스템과 같은 짧은 timescale 중력파 소스의 형성과 그 이전에 전자기적 복사가 존재하는지 탐색하기 위해.
• 탄생 힘이 X선 이중성계와 짧은 병합 수명을 가진 BH-NS 시스템 형성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 빠른 은하적 질량 증착 또는 충돌을 통해 장수기 블랙홀 방사선(γ-ray burst, GRB) 및 이국적인 별체 형성에 대한 탄생 힘의 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 587,019개의 이중성계를 대상으로 인구 합성 모델을 수행하여 중성자별 형성 시점까지 진화를 시뮬레이션하였다.
• 초신성 발생 시점의 궤도 위상을 무작위로 설정하고, σ_kick = 270 km/s (비교용으로 190 km/s)를 가진 맥스웰 분포에서 탄생 힘 속도를 추출하였다.
• 궤도 역학과 힘의 방향을 고려하여 NS와 동반성간 최소 접근 거리 r_min을 계산하였다.
• r_min을 동반성 반지름 R_s 및 NS 반지름 R_NS와 비교하여 결과를 분류: 충돌(r_min < R_s + R_NS), μTDE(R_s + R_NS < r_min < R_s (2m_NS/m_s)^{1/3}), 및 tidal 포획.
• 결과 확률을 결정하는 주요 매개변수(힘 속도, 질량 손실, 반장축)를 규명하기 위해 분석 모델을 사용하였다.
• μTDE, 희미한 SNe, X선 이중성계, TZO 형성, 전자기적 전구자가 있는 GW 소스의 사건 발생률을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자별 탄생 힘 중 몇 퍼센트가 이중성계의 동반성과 직접적인 물리적 충돌로 이어지는가?
• RQ2 중성자별과 동반성 간의 가까운 만남에서 발생하는 마이크로 tidal 파괴 사건(μTDE)의 예상 발생률은 얼마인가?
• RQ3 탄생 힘이 중성자별 X선 이중성을 형성할 수 있으며, 그 중 고질량 또는 저질량 X선 이중성계의 비율은 얼마인가?
• RQ4 탄생 힘이 eLISA 또는 aLIGO 시스템과 같은 짧은 timescale 중력파 소스를 형성하는가? 그리고 그 이전에 전자기적 복사가 존재하는가?
• RQ5 중성자별이 거대한 별이나 백색왜성과 충돌하여 빠른 질량 증착과 블랙홀 형성으로 인해 Thorne-Zytkow 물체나 장수기 블랙홀 방사선을 형성할 수 있는가?

주요 결과

• 주로 주계열 별과의 중성자별 충돌 발생률은 약 9 × 10⁻⁵ yr⁻¹이며, 중앙값으로 충돌까지의 시간은 약 1.17 × 10⁶ 초(약 13일)로, 이는 원천 초신성의 관측 가능성이 유지되는 동안 발생할 수 있음을 시사한다.
• 마이크로 tidal 파괴 사건(μTDE)의 발생률은 약 10⁻⁴ yr⁻¹로 추정되며, 이 중 상당수는 초신성 폭발 이후 수일에서 수주 내로 발생한다.
• 중성자별이 백색왜성을 파괴하여 발생하는 희미한 초신성의 발생률은 약 10⁻⁴ yr⁻¹로 추정되며, 중성자별 원천의 탈질소 성격으로 인해 주로 유형 Ib/c로 간주된다.
• 약 1–3 × 10⁻⁴의 중성자별이 가까운 궤도로 포획되어 X선 이중성이 되며, 그 중 156개의 포획 시스템 중 11개는 저질량 주계열 별 동반성을 지닌다(잠재적 LMXB로 간주됨).
• 약 10⁻⁴의 중성자별이 수명이 10⁶ 년 이내에 병합하는 BH-NS 이중성을 형성하며, 이는 eLISA 탐지 가능하고 전자기적 전구자가 존재할 수 있음을 의미한다.
• aLIGO GW 소스 중 BH-NS 병합로 인한 일부는 탄생 힘 후 병합 시간이 짧아, 이전에 유형 Ib/c 초신성의 전자기적 복사가 존재할 가능성이 높다.