[논문 리뷰] The demographics of neutron star - white dwarf mergers: rates, delay-time distributions and progenitors

Silvia Toonen, Hagai B. Perets외 3명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2018. 04. 04.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 118인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 이진 별합성 모델을 사용하여 중성자별-백색왜성(NS-WD) 합병의 인구 특성, 즉 합병률, 지연시간 분포(DTD), 원천 시스템 및 관측적 특성 등을 규명한다. 연구 결과, NS-WD 합병은 타입 Ia 초신성의 3–15% 수준에서 발생하며, 젊은(100 Myr–1 Gyr) 은하에서 피크를 이룬다. 이는 주로 빠르게 변화하는, 희미하고 Ic 유사성의 임시 천체와 관련이 있으며, 중성자별의 태생적 반동이 크면 수백 킬로파섹에 이르는 이격도를 보일 수 있다.

ABSTRACT

The mergers of neutron stars (NSs) and white dwarfs (WDs) could give rise to explosive transients, potentially observable with current and future transient surveys. However, the expected properties and distribution of such events is not well understood. Here we characterize the rates of such events, their delay time distribution, their progenitors and the distribution of their properties. We use binary populations synthesis models and consider a wide range of initial conditions and physical processes. In particular we consider different common-envelope evolution models and different NS natal kick distributions. We provide detailed predictions arising from each of the models considered. We find that the majority of NS-WD mergers are born in systems in which mass-transfer played an important role, and the WD formed before the NS. For the majority of the mergers the WDs have a carbon-oxygen composition (60-80%) and most of the rest are with oxygen-neon WDs. The rates of NS-WD mergers are in the range of 3-15% of the type Ia supernovae (SNe) rate. Their delay time distribution is very similar to that of type Ia SNe, but slightly biased towards earlier times. They typically explode in young 0.1-1Gyr environments, but have a tail distribution extending to long, Gyrs-timescales. Models including significant kicks give rise to relatively wide offset distribution extending to hundreds of kpcs. The demographic and physical properties of NS-WD mergers suggest they are likely to be peculiar type Ic-like SNe, mostly exploding in late type galaxies. Their overall properties could be related to a class of rapidly evolving SNe recently observed, while they are less likely to be related to the class of Ca-rich SNe.

연구 동기 및 목표

• 중성자별-백색왜성(NS-WD) 합병의 합병률, 지연시간 분포(DTD), 원천 시스템을 규명하는 것.
• 합병 시스템 내 백색왜성 조성(CO, ONe, He)의 분포를 결정하는 것.
• NS-WD 합병의 관측적 특징, 특히 빠르게 변화하는 임시 천체나 칼슘 풍부 초신성과의 잠재적 연관성을 평가하는 것.
• 태생적 반동과 공통-envelope 진화가 합병 지점의 공간적 이격도 및 은하 환경에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 합성 합병률을 관측된 임시 천체의 합병률과 비교하여, 특히 칼슘 풍부 초신성과 빠르게 변화하는 초신성에 대해 평가하는 것.

제안 방법

• 다양한 初기 조건을 가진 고립된 원시 이진 시스템의 진화를 시뮬레이션하기 위해 이진 별합성(BPS) 모델을 사용한다.
• 공동-envelope 진화에 대한 다양한 가정(예: αα, αα2, γα)과 중성자별 태생적 반동 분포(예: 맥스웰 분포, 상한 분포)를 가진 여러 모델을 실행한다.
• 질량 이 trasfer, 공동-envelope 단계, 그리고 밀집 천체 이진계(중성자별-백색왜성 포함)의 형성을 추적한다.
• 지연시간 분포(DTD)는 초신성 폭발(중성자별 형성)과 최종 합병 사이의 시간을 추적하여 계산한다.
• 합병률은 관측된 타입 Ia 초신성 합병률에 정규화된 단위 질량당로 계산된다.
• 은하 환경은 DTD와 이격도 분포에서 유추되며, 특히 저질량의 희박한 은하에서의 항성 밀도와 탈출 속도에 주목한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NS-WD 합병의 시간적 통합 합병률은 타입 Ia 초신성과 비교해 얼마나 되는가?
• RQ2 NS-WD 합병의 지연시간 분포(DTD)는 어떻게 되며, 타입 Ia 초신성의 DTD와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 NS-WD 합병에서 지배적인 원천 시스템과 백색왜성 조성은 무엇인가?
• RQ4 태생적 반동은 NS-WD 합병 지점이 은하에서 얼마나 떨어져 있는지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 NS-WD 합병은 관측된 칼슘 풍부 또는 빠르게 변화하는 초신성의 특성과 일치하는가?

주요 결과

• NS-WD 합병의 시간적 통합 합병률은 모델 가정에 따라 관측된 타입 Ia 초신성 합병률의 3–15%로 추정된다.
• NS-WD 합병의 지연시간 분포(DTD)는 초기 시기(<1–2 Gyr)에 피크를 보이며, 허블 시간까지 연장되며, 수기억대까지의 尾部 분포를 가진다.
• 다수의 합병하는 백색왜성은 탄소-산소(CO) 백색왜성(60–80%)이며, 소수의 산소-마그네슘(ONe) 백색왜성과 거의 없는 헬륨(He) 백색왜성으로 구성된다.
• 중성자별 태생적 반동이 크기 때문에 합병 이격도는 최대 300 kpc까지 확장되며, 특히 저질량의 희박한 은하에서 두드러진다.
• 스펙트럼과 DTD의 유사성으로 인해 NS-WD 합병은 칼슘 풍부 초신성보다는 빠르게 변화하고 희미하며 Ic 유사성의 초신성과 가장 잘 일치한다.
• 합성 합병률은 칼슘 풍부 초신성의 높은 관측 합병률(타입 Ia 초신성의 33–94%)과 일치하지 않으며, 이는 이러한 사건들에 대한 다른 원천 시스템이 존재할 가능성을 시사한다.