[論文レビュー] 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)|Jun 21, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 168被引用数 51

ひとこと要約

本論文は、共通エンvelope合体の前触れとなり得る一時的で高エネルギーの電波ネビュラ―（'ULXハイパーネビュラ'）を、超Eddington質量降着を経験するハイパーアクレーティングX線連星が生成することを提案する。これらのネビュラは繰り返し発生する電波バースト（FRB）の持続的電波対応体としても機能しうる。モデルは、FRB 20121102およびFRB 20190520Bと一致する時間的に変化する回転測定値（RM）とシンクロトロン電波放射を示し、VLASSのような調査で年〜十年スケールの検出可能な電波トランスジェントが得られると示唆する。

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.

研究の動機と目的

• 共通エンベロープ合体を引き起こす不安定な質量降着に伴うハイパーアクレーティングX線連星からの電磁放射をモデル化すること。
• このような系が持続的電波源と観測されたFRB対応体に一致する時間変動する回転測定値（RM）を生成できるかどうかを調査すること。
• VLASSのような電波調査でこれらのハイパーネビュラが検出可能かどうかを評価し、明るいトランスジェントの前触れとしての可能性を検討すること。
• 繰り返し発生するFRBが、ねじれ運動を示す相対論的ジェットを有するULXに似た系によって駆動されているという仮説を検証すること。
• FRBの持続的電波源、変動するRM、および短命なハイパーアクレーティング段階に起因する一時的電波ネビュラを統合するフレームワークを提供すること。

提案手法

• 相対論的電子がジェット終端衝撃で加熱され、拡張するネビュラからのシンクロトロン電波放射を、時間依存的一点モデルで再現する。
• 時間とともにネビュラのサイズ、磁場、電子エネルギー分布、放射損失および断熱損失を自己一貫的に進化させる。
• ネビュラの膨張と電子の注入を駆動するディスク風（遅く、赤道面方向）と相対論的ジェット（速く、双極的）を組み込む。
• 観測可能な性質（電波放射度、回転測定値（RM）、分散測定値、スペクトルエネルギー分布）を質量降着率およびジェットパラメータの関数として評価する。
• 代表的パラメータ（例：˙M/ ˙MEdd ∈[10, 10⁷], vj ≳0.1c）を用いて、自由拡張、減速、活性後段階にわたる進化をシミュレートする。
• モデル予測を、FRB 20121102およびFRB 20190520Bの観測された電波対応体（スペクトル形状およびRM変動を含む）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイパーアクレーティングX線連星は、FRB 20121102およびFRB 20190520Bで観測されたものと一致する時間的に変化する回転測定値（RM）を持つ電波ネビュラを生成できるか？
• RQ2 短命で超Eddington降着段階に起因するULXハイパーネビュラは、年〜十年スケールで検出可能な電波トランスジェントを生成するか？
• RQ3 若齢の相対論的衝撃を受けたネビュラのモデルによって、FRB 20121102およびFRB 20190520Bの持続的電波放射およびスペクトル的性質を再現できるか？
• RQ4 ジェット速度の変動や電子温度の分散は、FRB対応体の熱的スペクトルより広い電波スペクトルを生じさせる役割を果たすか？
• RQ5 VLASSのような現在および将来の電波調査で、このようなハイパーネビュラはいくつ検出可能であろうか？

主な発見

• ULXハイパーネビュラは、代表的仮定に近い条件下で、FRB 20121102およびFRB 20190520Bの電波スペクトルおよび時間的に変化する回転測定値（|RM|max ≈ 10⁴ rad m⁻²）を再現可能である。
• 広がった観測電波スペクトルは、わずかな電子温度の分散（ジェット速度または注入時間の2〜3倍以内の変動に相当）を必要とする。
• モデルは、FRB 20121102、20190520B、および20180916BのRM変動の長期的傾向とフラクチュエーション時間スケールを、ネビュラ内での乱流または視線方向の変化によって説明できる。
• VLASS調査領域内に最大で∼10³–10⁶個のハイパーネビュラが存在しうるが、そのうち約10個が年〜十年スケールで検出可能な輝度変化を示す可能性がある。
• これらの系からの電波トランスジェントは、将来の共通エンベロープ合体（例：明るい赤色の新星または高速青光学的トランスジェント）の前触れとなる可能性がある。
• X線および光学対応体は明るくなく、100 Mpcを超える距離では検出が困難であるが、高分解能電波フォローアップによりネビュラのアスペクト比およびジェット対風のダイナミクスを制約できる。