[论文解读] Quark-Novae in post-accretion Low-Mass X-ray Binaries: A universal model for short-hard Gamma-Ray Bursts

Rachid Ouyed, Jan E. Staff+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 2

一句话总结

本文提出了一种针对短时长短伽马射线暴（GRBs）的通用模型，其中在大质量中子星（>1.6 M⊙）和周双星盘的低质量X射线双星系统中发生的夸克新星爆发，通过喷射物-盘面相互作用产生瞬时辐射。该模型成功再现了GRB 000727、GRB 000218和GRB 980706A的Band函数谱型、持续时间、变异性及光谱演化特征，同时通过激波加热和吸积过程解释了延长辐射和余晖现象。

ABSTRACT

We show that several features reminiscent of short-hard Gamma-ray Bursts (GRBs) arise naturally when Quark-Novae occur in low-mass X-ray binaries born with massive neutron stars (> 1.6M_sun) and harboring a circumbinary disk. Near the end of the first accretion phase, conditions are just right for the explosive conversion of the neutron star to a quark star (Quark-Nova). In our model, the subsequent interaction of material from the neutron star's ejected crust with the circumbinary disk explains the duration, variability and near-universal nature of the prompt emission in short-hard GRBs. We also describe a statistical approach to ejecta break-up and collision to obtain the photon spectrum in our model, which turns out remarkably similar to the empirical Band function (Band 1993). We apply the model to the fluence and spectrum of GRB 000727, GRB 000218, and GRB980706A obtaining excellent fits. Extended emission (spectrum and duration) is explained by shock-heating and ablation of the white dwarf by the highly energetic ejecta. Depending on the orbital separation when the Quark-Nova occurs, we isolate interesting regimes within our model when both prompt and extended emission can occur. We find that the spectrum can carry signatures typical of Type Ib/c SNe although these should appear less luminous than normal type Ib/c SNe. Late X-ray activity is due to accretion onto the quark star as well as its spin-down luminosity. Afterglow activity arise from the expanding shell of material from the shock-heated expanding circumbinary disk. We find a correlation between the duration and spectrum of short-hard GRBs as well as modest hard-to-soft time evolution of the peak energy.

研究动机与目标

• 通过低质量X射线双星系统中夸克新星爆发的物理解释，阐明短时长短伽马射线暴近似普遍的瞬时辐射特征。
• 利用喷射物与周双星盘的相互作用，解释短时长短伽马射线暴的持续时间、变异性与光谱形状（Band函数）。
• 在单一天体物理框架内统一解释短时长短伽马射线暴的瞬时辐射、延长辐射与余晖的起源。
• 探究夸克新星驱动的伽马射线暴是否能产生类似于Ib/c型超新星的特征，尽管其亮度较低。
• 通过中子星吸积与自转降速的光度模型，解释晚期X射线活动。

提出的方法

• 建模低质量X射线双星系统中，大质量中子星（>1.6 M⊙）在吸积末期向夸克星转变（即夸克新星爆发）的爆炸过程。
• 通过统计模型模拟中子星地壳喷射物与周围周双星盘的相互作用，以产生瞬时辐射，包括喷射物碎裂与碰撞的统计特性。
• 采用统计方法推导光子谱，结果与经验Band函数（Band 1993）高度吻合。
• 利用流体动力学激波加热与烧蚀模型，解释喷射物与白矮星相互作用产生的延长辐射的光谱与持续时间。
• 通过夸克星吸积及其自转降速光度模型，模拟晚期X射线活动。
• 通过模拟周双星盘膨胀并被激波加热的壳层，再现余晖辐射。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低质量X射线双星系统中，大质量中子星的夸克新星是否能自然产生观测到的短时长短伽马射线暴瞬时辐射的持续时间与变异性？
• RQ2 夸克新星喷射物与周双星盘的相互作用是否能重现短时长短伽马射线暴中观测到的经验Band函数谱型？
• RQ3 短时长短伽马射线暴中的延长辐射是否可由高能喷射物对白矮星的激波加热与烧蚀过程解释？
• RQ4 夸克新星驱动的伽马射线暴会留下何种观测特征，使其与Ib/c型超新星相似，又在光度上如何不同？
• RQ5 所形成的夸克星的吸积与自转降速过程如何贡献于晚期X射线活动与余晖辐射？

主要发现

• 该模型产生的光子谱与经验Band函数高度吻合，验证了其在短时长短伽马射线暴中的物理解释力。
• 对GRB 000727、GRB 000218与GRB 980706A的通量与光谱均获得极佳拟合，支持该模型的预测能力。
• 延长辐射通过夸克新星喷射物对白矮星的激波加热与烧蚀过程成功解释，其持续时间与光谱与观测结果一致。
• 该模型预测短时长短伽马射线暴的持续时间与光谱之间存在相关性，与观测数据一致。
• 成功再现了适度的硬到软峰值能量演化，与短时长短伽马射线暴中观测到的光谱演化相符。
• 晚期X射线活动被归因于夸克星的吸积与自转降速光度，为X射线余晖组分提供了自然解释。