[논문 리뷰] The response of a red supergiant to a common envelope jets supernova (CEJSN) impostor event

Nitzan Ragoler, Ealeal Bear외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 24.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 50인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 1D 별진화 시뮬레이션을 사용하여, 타원도가 높은 궤도를 도는 중성자별(NS)이 적색 초거성(RSG)의 대기권을 통과하면서 에너지를 주입하고 제트를 통해 질량을 방출한 후의 상황을 모델링한다. RSG의 대기권은 크게 팽창하여 NS가 임베디드 상태로 남아 지속적으로 물질을 붙이며, 수개월에 걸쳐 더 약한데도 더 높은 복사 효율을 보이는 후기 제트를 방출할 수 있게 된다. 이로 인해 수개월에서 수년에 걸쳐 지속되는 뚜렷한 잠재적 초신성 유사 현상(≳10⁸ L⊙)이 발생한다.

ABSTRACT

Using a one-dimensional stellar evolution code we simulate the response of a red supergiant (RSG) star to injection of energy and to mass removal. We take the values of the energy that we inject and the mass that we remove according to our previous three-dimensional hydrodynamical simulations of a neutron star (NS) on a highly eccentric orbit that enters the envelope of an RSG star for half a year and launches jets as it accretes mass via an accretion disk. We find that for injected energies of ~1e47-1e48 erg and removed mass of ~0.03-0.6Mo the RSG envelope expands to a large radius. Therefore, we expect the NS to continue to orbit inside this massive inflated envelope for several more months, up to about twice the initial RSG radius, to continue to accrete mass and launch jets for a prolonged period. Although these late jets are weaker than the jets that the NS launches while inside the original RSG envelope, the late jets might actually be more influential on the light curve, leading to a long, several months to few years, and bright, about >10^8Lo, transient event. The RSG returns to more or less a relaxed structure after about ten years, and so another transient event might occur in the next periastron passage of the NS. Our results add to the already rich variety of jet-driven explosions/outbursts that might account for many puzzling transient events.

연구 동기 및 목표

• 고도로 타원적인 궤도를 도는 중성자별(NS)에 의한 에너지 주입과 질량 방출에 대한 적색 초거성(RSG)의 장기적 반응을 모델링하기 위해.
• 초기 통과 이후 NS가 RSG 대기권에 장기간 임베디드 상태로 남을 수 있는지 조사하기 위해.
• 팽창한 대기권 내에서 방출되는 후기 단계 제트에 의해 유도된 잠재적 초신성 유사 현상의 광도와 지속 기간을 평가하기 위해.
• 기존 RSG 대기권에서 방출된 제트와 비교하여 이러한 후기 제트의 복사 효율성을 평가하기 위해.
• 시간이 지남에 따라 RSG가 회복하는 것을 고려할 때 반복적인 CEJSN 유사 현상이 발생할 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• MESA 별진화 코드를 사용하여 15 M⊙의 ZAMS 별에서 출발하여 RSG 단계에 도달하도록 RSG 진화를 시뮬레이션한다 (795 R⊙, 13.2 M⊙).
• 중성자별이 RSG 대기권을 통과하는 3D 유체역학적 시뮬레이션 결과를 바탕으로 에너지 주입과 질량 제거를 적용한다.
• 이전 3D 시뮬레이션에서 유도된 에너지 주입량 ≈10⁴⁷–10⁴⁸ erg 및 질량 방출량 ≈0.03–0.6 M⊙를 입력으로 사용한다.
• 수십 년에 걸친 RSG의 구조적 진화를 추적하며, 대기권 팽창, 반지름 증가, 질량 합착률 변화에 중점을 둔다.
• 팽창 이후 더 큰 궤도 간격 (~1700 R⊙ 이내) 에서 제트의 강도와 복사 효율을 평가한다.
• 고밀도의 원래 RSG 대기권에서 방출된 초기 제트와 비교하여, 저밀도로 팽창한 영역에서 방출된 후기 제트의 복사 효율성을 평가하며, 단열 냉각과 광자 확산 시간을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타원도가 높은 궤도를 도는 중성자별(NS)에 의한 에너지 주입과 질량 방출 후 RSG의 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 대기권 팽창으로 인해 NS가 초기 통과 이후 수개월 동안 RSG 대기권에 임베디드 상태로 남을 수 있는가?
• RQ3 팽창한 대기권 내에서 방출된 후기 단계 제트에 의해 발생하는 잠재적 초신성 유사 현상의 광도와 지속 기간은 얼마인가?
• RQ4 낮은 제트 강도에도 불구하고 후기 제트가 초기 제트보다 더 높은 복사 효율을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ5 RSG가 안정 상태로 회복할 수 있는가? 이 경우 후속 근점 통과 동안 반복적인 CEJSN 유사 현상이 발생할 수 있는가?

주요 결과

• 에너지 주입과 질량 방출 후 RSG 대기권은 최대 약 ~1500–1700 R⊙까지 팽창하여, NS가 추가로 수개월 동안 임베디드 상태로 남을 수 있게 된다.
• 약 1500 R⊙에서 NS는 약 0.05 M⊙ yr⁻¹의 속도로 질량 합착을 계속하며, 최대 근점 질량 합착률의 약 30% 수준을 유지하여 장기적인 제트 활동을 지속한다.
• 후기 제트는 더 약하지만, 저밀도로 팽창한 영역에서 단열 냉각이 감소하고 광자 확산 시간이 짧아지기 때문에 더 높은 복사 효율을 보일 수 있다. 이로 인해 효율은 최대 10–30%에 이를 수 있다.
• 결과적으로 발생하는 잠재적 초신성 유사 현상은 약 10⁸ L⊙의 광도에 도달하며, 수개월에서 수년에 걸쳐 지속될 수 있어 뚜렷하고 장기적인 잠재적 초신성 유사 현상의 타당한 설명이 된다.
• RSG는 약 10년 이내에 안정 상태로 회복되며, 이는 향후 근점 통과 시 반복적인 CEJSN 유사 현상이 발생할 수 있음을 시사한다.
• 제트 피드백 메커니즘은 질량 합착률을 10–100배 감소시키지만, 팽창한 대기권은 여전히 지속적이고 관측 가능한 제트 활동을 지속할 수 있다.