[논문 리뷰] Short Gamma-Ray Bursts following mergers of an ONeMg with a CO white dwarf

Maxim Lyutikov, Silvia Toonen|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 단기 감마선 폭발(GRB)이 ONeMg 백색왜성과 CO 백색왜성의 합병 이후 질량 축적에 의한 붕괴(AIC)를 통해 중성자성으로 전환되는 과정에서 발생할 수 있다고 제안한다. 순간적인 GRB 방출은 액cretion 디스크 없이 직접 붕괴에 의해 발생하며, 연장된 방출과 후광은 남은 불연성 쉘 물질의 액cretion과 상대론적 바람에 의해 발생하여, 2.5M☉를 초과하는 안정적인 후기 중성자성에 의존하지 않는 기존의 중성자성-중성자성 합병 이론에 비해 관측된 연장된 방출과 플레어와의 일관성이 더 높다.

ABSTRACT

We discuss a scenario of short Gamma-Ray Bursts (GRBs) following a merger of a massive ONeMg white dwarf (WD) with a CO WD, and an ensuing accretion induced collapse (AIC). An initial system with the primary mass $M_1 \sim 6-10 \, M_\odot$ and the secondary mass $M_2 \sim 3-6\, M_\odot$ forms, via two distinct evolutionary channels, a double degenerate CO-ONeMg WD system. For sufficiently large mass ratio $q \equiv M_2/M_1 > q_{crit} \sim 0.25$ the ensuing gravitational wave-driven mass transfer is unstable, whereby the less massive CO WD is disrupted and transfers its mass to the primary ONeMg WD on a few orbital time scales. The merger product ignites shell CO burning, adding mass to the degenerate core; at the same time mass and angular momentum is lost due to powerful winds. For an ONeMg WD sufficiently close to the Chandrasekhar mass an electron-capture accretion induced collapse (AIC) follows $\sim 10^4$ years afterwards. We associate the prompt short GRB emission with a direct collapse of an ONeMg WD to a neutron star, without formation of an accretion disk. After the collapse the accretion of the unburnt part of the shell onto the newly formed NS powers the extended emission (EE). During the collapse the neutron star is spun to millisecond periods and produce long lasting relativistic winds that shock against the material lost during the shell-burning stage, and produce afterglow emission from the wind termination shock.

연구 동기 및 목표

• 단기 GRB에 대한 중성자성-중성자성(NS-NS) 합병 모델의 일관성 문제, 특히 최대 10^5초까지 지속되는 관측된 연장된 방출과 플레어를 해결하기 위해.
• 2.5M☉를 초과하는 안정적인 후기 중성자성이 필요 없는, 장기간 지속되는 방출을 생성할 수 있는 단기 GRB의 중심 엔진 메커니즘을 탐색하기 위해.
• ONeMg+CO 백색왜성 이중성에서의 질량 축적에 의한 붕괴(AIC)가 단기 GRB의 원천으로서 가능성이 있는지 조사하기 위해.
• 상대론적 바람과 쉘 물질 간의 상호작용을 모델링하여 초기 후광 특징과 비대칭 복사 패턴을 설명하기 위해.
• 이러한 사건의 희귀성과 매개변수 공간을 평가하여, 초크라슈카르 체계의 10% 이하의 백색왜성 합병만이 단기 GRB를 생성할 수 있음을 강조하기 위해.

제안 방법

• 질량 비율 q > 0.25인 ONeMg+CO 백색왜성 이중성에서 중력파에 의해 유도되는 질량 이행을 모델링하여, 불안정한 질량 이행과 CO 백색왜성의 붕괴를 유도한다.
• ONeMg 핵에 축적된 CO 물질에서의 쉘 연소를 시뮬레이션하여 질량과 운동량을 증가시키며, 강력한 바람이 질량과 운동량을 제거한다.
• 초크라슈카르 한계에 가까운 ONeMg 백색왜성이 합병 후 약 10^4년 만에 전자 포획에 의해 유도되는 붕괴(AIC)를 겪는 조건을 계산한다.
• 순간적인 GRB 방출이 액cretion 디스크 없이 ONeMg 백색왜성이 중성자성으로 직접 붕괴함으로써 발생하며, 밀리초 주기로 스핀업된다고 제안한다.
• 연장된 방출이 새로 형성된 중성자성에 대한 불연성 쉘 물질의 액cretion에 의해 공급되며, 관측된 연장 꼬리와 일치하는 시간스케일을 가진다.
• 상대론적 펄사 바람과 전기 붕괴 바람, 쉘 간의 상호작용을 시뮬레이션하여, 바람 종료 충격에서 후광 방출을 생성하며, 장기 GRB 후광과 유사하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 연장된 방출과 플레어는 안정적인 후기 중성자성이 아닌 다른 중심 엔진 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 백색왜성-백색왜성 합병 이후 ONeMg 백색왜성이 질량 축적에 의한 붕괴(AIC)를 겪는 것이 단기 GRB의 원천으로서 타당한가?
• RQ3 상대론적 바람과 쉘 물질 간의 상호작용이 관측 결과와 일치하는 후광 방출을 생성할 수 있는가?
• RQ4 이러한 합병이 타입 Ia 초신성 또는 약한 전이현상이 아닌 단기 GRB를 생성하기 위해 필요한 초기 질량 비율과 궤도 매개변수는 무엇인가?
• RQ5 AIC 반동 잔해가 주변 쉘과 상호작용할 경우, 그 상호작용은 어떤 방식으로 방출 특성을 유도하는가?

주요 결과

• 모델은 순간적인 GRB 방출이 액cretion 디스크를 거치지 않고 ONeMg 백색왜성이 직접 중성자성으로 붕괴함으로써 발생한다고 설명한다.
• 연장된 방출은 새로 형성된 중성자성에 대한 불연성 쉘 물질의 액cretion에 의해 공급되며, 관측된 연장 꼬리와 일치하는 시간스케일을 가진다.
• 붕괴 과정에서 중성자성이 밀리초 주기로 스핀업되어 장기간 지속되는 상대론적 바람을 생성하며, 바람 종료 충격에서 후광 방출을 일으킨다.
• AIC 반동 잔해가 쉘(M_s ~ 0.1–0.3 M☉)과 상호작용하면, 속도 ~c/3, 온도 ~수 MeV인 약간 상대론적인 외부 유동을 생성하며, '더러운' GRB를 만들어내어 장시간스케일과 낮은 광자 에너지를 가진다.
• 쉘에서의 충격 붕괴는 전체 쉘의 운동이 느리더라도 표면 물질을 약간 상대론적인 속도로 가속화할 수 있으며, 방향성 복사 특징을 생성한다.
• 펄사 바람의 등반면 콘두라 및 강력한 프로펠러 상태에서의 쉘 방출에 의해 비대칭 복사가 발생하며, 이는 관측된 후광 형태와 일치한다.