[論文レビュー] Luminous Fast Blue Optical Transients and Type Ibn/Icn SNe from Wolf-Rayet/Black Hole Mergers

Brian D. Metzger|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 168被引用数 88

ひとこと要約

本論文は、白色発光速青光変星（LFBOTs）およびタイプIbn/ICn超新星が、二重星系におけるワルフ＝レイター星の潮汐破壊およびハイパーアクレションに起因し、残存する円周双星円盤からの角運動量損失に起因する長時間遅れ（≥100年）を伴うものであると提唱する。モデルは、ディスク・ウィンド噴流と中心エンジンからのX線再放射を介して、急激な光度上昇、高輝度、低56Ni生成量、非球形対象物の噴出物、変動するX線放射を説明し、合併遅延時間スケールを通じてSNe Ibn/ICnと統一する。

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.

研究の動機と目的

• LFBOTsの多波長的性質、特に急激な上昇時間、高輝度、低56Ni生成量、変動するX線放射を説明する課題を解決すること。
• WR星とコンパクトな天体の遅延合併を含む共通の前身星メカニズムを通じて、LFBOTsとタイプIbn/ICnSNeを統一すること。
• 10^14～10^16 cmのスケールで存在する高密度で水素を含まない周囲物質（CSM）を、残存する円周双星円盤および光蒸発駆動風によって説明すること。
• 中心エンジンのX線変動およびコンプトンへうの特徴を、光学厚さτT ≈ fewの速い非球形対象物による再放射を通じて説明すること。
• 観測された電波シンクロtron放射を、速い極域対象物と高密度CSMとの衝撃波相互作用に起因するとし、電子エネルギー分布が標準的べき乗則から逸脱することを説明すること。

提案手法

• 二重星系におけるワルフ＝レイター星の潮汐破壊をモデル化し、残存する円周双星円盤からの角運動量損失に起因する長時間遅れ（≥100年）を考慮する。
• 超Eddington率を有するGRMHDに類似した降着モデルを用い、˙M• ∝ t^−2およびAT2018cowと整合するX線輝度を達成する。
• 降着流からのディスク・ウィンド噴流をシミュレートし、速い極域成分（v > 0.1c）と低質量（Mfast ≈ 0.1 M⊙）の非球形対象物を生成し、光学的上昇時間と一致させる。
• 速い極域対象物におけるX線再放射を計算し、光度曲線の主因を再放射、副次的要因をCSM衝撃波相互作用とみなす。
• 残存する共通エンvelope円盤およびその光蒸発風から、CSM質量および密度を推定し、径方向スケールは∼10^16 cm、n ≳10^5 cm⁻³とし、電波放射と整合する。
• 内側ディスク領域からの56Ni生成量を予測し、LFBOTsおよびIbn/ICn SNeにおける低56Ni生成量と整合する ≲10⁻² M⊙と推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワルフ＝レイター星とブラックホールまたは中性子星との遅延合併が、LFBOTsの急激な上昇、高輝度、低56Ni生成量を説明できるか？
• RQ2 1回のイベントで3000 km s⁻¹から>0.1cの速度を示す非球形対象物はどのように生成されるか？
• RQ3 観測された変動的でX線優位の放射、コンプトンへう、準周期的振動を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ4 10^14–10^16 cmのスケールで存在する高密度で水素を含まないCSMはどのように生成され、電波および光学放射にどのように寄与するか？
• RQ5 タイプIbn/ICn SNeの観測特性を、遅延合併を含む共通の前身星シナリオによってLFBOTsと統一できるか？

主な発見

• モデルは、アーネット関係を用いてAT2018cowの光学的上昇時間を再現し、0.1c以上の速度を示す速い極域対象物質量（≈0.1 M⊙）を必要とする。
• X線光度曲線は、中心エンジンからの変動的X線の再放射によって駆動され、約30日後にはLX ∝ t^−4の減衰率と一致する。
• コンプトンへうの特徴は、パワー法則スペクトルが速い極域シェル（フォトン光学厚さτT ≈ few）を通じて再放射されることによって生じる。このためMfast ≈ 0.1 M⊙が要求される。
• ディスク・ウィンド噴流からの56Ni生成量は、10⁻² M⊙未満と予測され、光学光度曲線に後期の二次ピークが観測されないことに一致する。
• 電波放射は、速い対象物（v ≈ 0.1–0.2c）と、r ≈ 10^16 cmでn ≳10^5 cm⁻³のCSMとの衝撃波相互作用によって説明され、これは残存する円周双星円盤およびその光蒸発風に起因する。
• ディスク寿命を超える長時間の遅れにより、水素を含まないCSMがほとんどないSNe Ibn/ICnが生成され、これによりLFBOTsと統一された合併駆動的変光天体として位置づけられる。