[논문 리뷰] Radio Nebul\ae\ from Hyper-Accreting X-ray Binaries as Common Envelope Precursors and Persistent Counterparts of Fast Radio Bursts

Navin Sridhar, Brian D. Metzger|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 21.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 168인용 수 51

한 줄 요약

이 논문은 초질량흡착 X선이중성계에서 초초광도 질량 전이가 발생할 경우, 단기적이고 고에너지의 라디오 성운(‘ULX 초성운’)이 생성되며, 이는 일반적 공막 사건의 전조이자 반복적인 빠른 라디오 펄스(_FRB_)의 지속적인 라디오 대응체가 될 수 있음을 제안한다. 모델은 이러한 성운이 FRB 20121102 및 FRB 20190520B와 일치하는 시간에 따라 변하는 회전 측도와 싱크로트론 라디오 방출을 생성하며, VLASS와 같은 설문 조사에서 연간에서 수십 년에 이르는 탐지 가능한 라디오 일시적 현상이 나타날 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Roche lobe overflow from a donor star onto a black hole or neutron star binary companion can evolve to a phase of unstable runaway mass-transfer, lasting as short as hundreds of orbits ($\lesssim 10^{2}$ yr for a giant donor), and eventually culminating in a common envelope event. The highly super-Eddington accretion rates achieved during this brief phase ($\dot{M} \gtrsim 10^{5}\dot{M}_{ m Edd})$ are accompanied by intense mass-loss in disk winds, analogous but even more extreme than ultra-luminous X-ray (ULX) sources in the nearby universe. Also in analogy with observed ULX, this expanding outflow will inflate an energetic `bubble' of plasma into the circumbinary medium. Embedded within this bubble is a nebula of relativistic electrons heated at the termination shock of the faster $v \gtrsim 0.1 c$ wind/jet from the inner accretion flow. We present a time-dependent, one-zone model for the synchrotron radio emission and other observable properties of such ULX `hyper-nebulae'. If ULX jets are sources of repeating fast radio bursts (FRB), as recently proposed, such hyper-nebulae could generate persistent radio emission and contribute large and time-variable rotation measure to the bursts, consistent with those seen from FRB 20121102 and FRB 190520B. ULX hyper-nebulae can be discovered independent of an FRB association in radio surveys such as VLASS, as off-nuclear point-sources whose fluxes can evolve significantly on timescales as short as years, possibly presaging energetic transients from common envelope mergers.

연구 동기 및 목표

• 공막 사건을 앞서는 불안정한 질량 전이 동안 초질량흡착 X선이중성계의 전자기 방출을 모델링하기 위해.
• 이러한 시스템이 지속적인 라디오 소스와 관측된 FRB 대응체와 일치하는 시간에 따라 변하는 회전 측도를 생성할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 이러한 초성운이 VLASS와 같은 라디오 설문 조사에서 탐지 가능할지, 그리고 빛나는 일시적 현상의 전조로 기능할 수 있을지 평가하기 위해.
• 반복적인 FRB가 예측 가능한 진동하는 유도류를 가진 ULX 유사 시스템에서 상대론적 제트에 의해 구동된다는 가설을 검증하기 위해.
• FRB 지속적인 라디오 소스, 변하는 RM, 그리고 단기적인 초질량흡착 단계에서 유래한 일시적 라디오 성운을 연결하는 통합 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 확장 중인 성운 내에서 제트 종료 충격에서 가열된 상대론적 전자로부터 유래하는 싱크로트론 라디오 방출을 위한 시간 의존적, 1영역 모델을 개발한다.
• 시간에 따라 성운 크기, 자기장, 전자 에너지 분포, 복사 손실 및 단열 손실을 자발적으로 진화시킨다.
• 성운 팽창과 전자 주입의 원동력으로서 디스크 풍류(느린, 등위선 방향)와 상대론적 제트(빠른, 이중축)를 통합한다.
• 관측 가능한 성질 평가: 질량 전이율과 제트 파arameter에 따른 라디오 광도, 회전 측도(RM), 분산 측도, 스펙트럼 에너지 분포.
• 기준 파라미터(예: ˙M/ ˙MEdd ∈[10, 10⁷], vj ≳0.1c)를 사용하여 자유 팽창, 데크레멘트, 활동 후 단계에 걸쳐 진화를 시뮬레이션한다.
• 모델 예측을 관측된 FRB 20121102 및 FRB 20190520B의 라디오 대응체와 비교하며, 스펙트럼 형태와 RM 변동성 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초질량흡착 X선이중성계는 FRB 20121102 및 FRB 20190520B에서 관측된 것과 유사한 시간에 따라 변하는 회전 측도를 가진 라디오 성운을 생성할 수 있는가?
• RQ2 단기적인 초초광도 흡착 단계에서 유래한 ULX 초성운은 연간에서 수십 년에 이르는 시간 스케일에서 탐지 가능한 라디오 일시적 현상을 생성할 수 있는가?
• RQ3 젊은 상대론적 충격 성운 모델이 FRB 20121102 및 FRB 20190520B의 지속적인 라디오 방출과 스펙트럼 특성을 재현할 수 있는가?
• RQ4 제트 속도 변화 또는 전자 온도 분포가 FRB 대응체에서 열역학적 스펙트럼보다 넓은 라디오 스펙트럼을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 VLASS와 같은 현재 및 향후 라디오 설문 조사에서 이러한 초성운 중 몇 개가 탐지 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 기준에 가까운 조건에서 ULX 초성운은 FRB 20121102 및 FRB 20190520B의 라디오 스펙트럼과 시간에 따라 변하는 회전 측도(|RM|max ≈ 10⁴ rad m⁻²)를 재현할 수 있다.
• 더 넓은 관측된 라디오 스펙트럼은 제트 속도 또는 주입 시간에 약 2~3배 이내의 변화에 해당하는 전자 온도의 약간의 산란을 필요로 한다.
• 모델은 FRB 20121102, 20190520B, 20180916B의 RM 변동의 장기적 추세와 변동 시간 스케일을 성운 내에서 난류 또는 시야 방향 변화로 설명할 수 있다.
• VLASS 설문 조사 부피 내에서 최대 약 ∼10³–10⁶개의 초성운이 존재할 수 있으며, 이 중 약 O(10)개는 연간에서 수십 년에 걸쳐 탐지 가능한 광도 변화를 보일 수 있다.
• 이러한 시스템의 라디오 일시적 현상은 향후 공막 사건, 예를 들어 빛나는 빨간색 초신성 또는 빠른 blue 광학 일시적 현상의 전조가 될 수 있다.
• X선 및 광학 대응체는 100 Mpc 이내에서 흐린 편이며, 이를 초월하면 탐지하기 어려운 반면, 고해상도 라디오 후속 관측을 통해 성운의 기하학적 비율과 제트 대 풍류 역학을 제약할 수 있다.