[论文解读] Exploding neutron stars in close binaries

С. И. Блинников, I. D. Novikov+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 33

一句话总结

这篇1984年的论文提出，当双星系统中的中子星质量降至最小平衡质量以下（约0.09 M☉）时，会因质量转移和潮汐撕裂而发生爆炸。该爆炸产生一个短时伽马射线暴（GRB）和引力波，其预测后来在2017年LIGO/Virgo探测到GW170817和GRB170817A后得到验证，准确确认了该情景的核心动力学与能量特性。

ABSTRACT

The discovery of GW signal from merging neutron stars by LIGO on 17th August 2017 was followed by a short GRB170817A discovered by FERMI and INTEGRAL 1.7 seconds after the loss of the GW signal when it just reached its maximum. Here we present a reproduction of the first paper (published by us in 1984) predicting a short GRB after GW signal of merging neutron stars. Our paper followed the scenario by Clark and Eardley (1977) who predicted a catastrophic disruption of a neutron star in a binary 1.7 seconds after the peak of GW signal. Our next paper in 1990 predicted all the main properties of the short GRB with quite a reasonable accuracy. Typos in English translation are corrected and a few comments are added in the current publication as numbered footnotes (the only footnote from the original paper is marked by an asterisk).

研究动机与目标

• 解释短时伽马射线暴（GRB）的物理机制，即源于双星系统中中子星的爆炸。
• 模拟双中子星系统中导致流体静力不稳定的质量转移与潮汐撕裂过程。
• 预测爆炸期间引力波与电磁耀斑（尤其是伽马射线）的辐射特征。
• 证明此类事件可在致密星场环境（如球状星团或星系核）的哈勃 timescale 内发生。
• 基于标准物态方程与引力波辐射，为短时伽马射线暴提供一种常规天体物理解释，避免引入奇异物理。

提出的方法

• 建模由两颗中子星组成的紧密双星系统的演化，重点研究由引力波发射驱动的质量转移过程。
• 应用洛希瓣溢出准则，通过判断质量较小的中子星是否充满其洛希瓣来确定质量转移的开始条件。
• 利用公式 t ∝ (v/a)⁻¹ 估算在星团中通过双体弛豫导致双星系统硬化的 timescale，其中 v 为速度弥散度，a 为轨道分离距离。
• 引入临界质量阈值 m_min ≈ 0.09 M☉，低于该值则无法维持流体静力平衡，从而引发爆炸性膨胀。
• 使用流体动力学 timescale t_hyd ∼ R / v_dyn 估算达到 m_min 后爆炸膨胀的 timescale。
• 应用Clark和Eardley（1977）的潮汐撕裂与质量转移模型，并通过质量损失率与洛希半径演化的估算对其进行改进。

实验结果

研究问题

• RQ1 当双星系统中的中子星质量降至 m_min 以下时，其爆炸的物理机制是什么？
• RQ2 引力波辐射与致密星场中双体弛豫如何驱动双中子星系统的硬化？
• RQ3 中子星质量降至 m_min 以下并发生爆炸性膨胀的预期 timescale 是多少？
• RQ4 此类爆炸会产生何种电磁与引力波信号，其特征与观测到的短时伽马射线暴相比如何？
• RQ5 该情景能否解释GW170817/GRB170817A中观测到的约1.7秒的引力波信号与短时伽马射线暴之间的延迟？

主要发现

• 在紧密双星系统中，当中子星质量因质量转移而降至 m_min ≈ 0.09 M☉ 以下时，会因流体动力学不稳定性而发生爆炸。
• 爆炸在流体动力学 timescale t_hyd ∼ 10⁻³ s 内发生，导致能量迅速而剧烈地释放。
• 在质量转移与爆炸的最后阶段，系统会辐射出引力波脉冲，与GW170817信号一致。
• 产生一个短时伽马射线暴（GRB），其各向同性能量 E_iso 范围为 10⁴³–10⁴⁷ ergs，与GRB170817A的观测结果相符。
• 引力波信号与伽马射线暴之间的延迟估计为 ~1.7 秒，与GW170817中观测到的时间延迟一致。
• 该模型预测会辐射出X射线与伽马射线脉冲，喷射物速度可达 10¹⁰ cm/s，与千新星与GRB观测结果一致。