[论文解读] Formation of Fast-spinning Neutron Stars in Close Binaries and Magnetar-driven Stripped-envelope Supernovae

Rui-Chong Hu, Jin-Ping Zhu+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 7

一句话总结

论文表明通过共包层与稳定质量传输通道在近距并联星（二元系统）中对氦星进行潮汐自旋加速，可以在核心坍缩时形成自旋很快的磁星，重现能量-喷发质量的观测相关性，并在不同金属量下与磁星驱动的SESNe的速率密度相匹配。

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.

研究动机与目标

• 研究磁星驱动的SESNe如何形成以及它们的角动量为何如此之高的动机与必要性需要阐明。
• 显示近接双星中的潮汐自旋加速在从亚太阳金属量到超太阳金属量范围内都能在核心坍缩时产生快速自旋磁星。
• 重现SLSNe、GRB-SNe、SNe Ic-BL与FBOTs观测到的普遍初始磁星能量-喷发质量相关性。
• 证明孤立的CEP（CEE）与稳定质量传输（SMT）通道可以解释磁星驱动的SESNe的事件速率密度与宿主环境。

提出的方法

• 对处于潮汐与角动量传输的氦星进行近距双星的详细二元进化模拟，使用MESA代码。
• 采用扩散型自转混合与包括Tayler–Spruit发电机的角动量传输（并有修订版本用于对比）。
• 通过角动量守恒与经验的M_CO–M_NS,b关系，在核心坍缩时计算初始磁星的自转能量，并推导喷发质量M_ej。
• 使用BSE代码进行二元群体合成，估算在不同金属量下的SLSNe、lGRB、SNe Ic-BL与FBOT的随红shift变化的事件速率密度。
• 汇集观测到的磁星驱动的SESNe数据（P_rot,i, M_ej），并与跨金属量的模拟E_rot,i–M_ej关系进行比较。
• 估计爆炸时的可能伴星类型，并评估残骸命运与潜在的引力波源。

实验结果

研究问题

• RQ1 潮汐自旋加速通过CEE/SMT通道是否能在不同金属量范围内为磁星驱动的SESNe产生所需的快速自旋磁星？
• RQ2 模型是否重现连接SLSNe、GRB-SNe、SNe Ic-BL与FBOTs的普遍E_rot,i–M_ej相关性？
• RQ3 预测的随红shift变化的磁星驱动SESNe速率密度与不同金属环境下的观测值相比如何？
• RQ4 爆炸时的可能双星构型与伴星类型是什么，对残骸以及引力波源有何影响？
• RQ5 金属量与AM传输效率在多大程度上控制快速磁星的形成以及磁星驱动SESNe的抑制或增强？

主要发现

• 数值模拟表明，近距双星中的氦星（M_He,i ~ 5–40 M_sun）在轨道周期P_orb,i ≲ 1–2天时可以获得符合观测的E_rot,i–M_ej相关性的快速磁星自转。
• 在亚太阳到太阳金属量范围内，大多数SLSNe、GRB-SNe与SNe Ic-BL可通过近距双星的潮汐自旋加速产生，与观测宿主金属量与喷发质量相符。
• FBOTs可通过较低质量的氦星（M_He,i ≲ 5 M_sun）在双星中解释，可能的P_orb,i ≲ 10天，并且即便在更宽的双星中，只要残骸能量足够也可起源。
• 在超太阳金属量下，风力更强会减少可用的角动量，抑制磁星驱动的SESNe并倾向于普通的SNe Ic结果。
• 二元群体合成预测在考虑金属量与射束效应后，SLSN与lGRB的速率密度与观测值相当，FBOT的速率密度接近观测估计（约CCSN的1%）。
• 大多数磁星驱动的SESNe来自第一形成的被潮汐自旋加速的氦星在与MS伴星的近距双星系统中，CEE是主要的形成通道，并对幸存中子星双星有显著意义。