[论文解读] Fast Luminous Blue Transients from Newborn Black Holes

Kazumi Kashiyama, Eliot Quataert|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本文提出，快速明亮蓝变星（FLBs）起源于大质量蓝超巨星或沃尔夫-拉叶星直接坍缩成黑洞时形成的吸积盘的超爱丁顿喷流。该模型预测紫外-光学暂现源的峰值光度为 $10^{42-43}\ \text{erg s}^{-1}$，持续时间3–10天，光谱主要由中等质量元素主导，与Pan-STARRS和PTF的观测一致，可通过数年内可探测到的射电余晖与其他模型相区别。

ABSTRACT

Newborn black holes in collapsing massive stars can be accompanied by a fallback disk. The accretion rate is typically super-Eddington and strong disk outflows are expected. Such outflows could be directly observed in some failed explosions of compact (blue supergiants or Wolf-Rayet stars) progenitors, and may be more common than long-duration gamma-ray bursts. Using an analytical model, we show that the fallback disk outflows produce blue UV-optical transients with a peak bolometric luminosity of ~10^(42-43) erg s^-1 (peak R-band absolute AB magnitudes of -16 to -18) and an emission duration of ~ a few to ~ 10 days. The spectra are likely dominated intermediate mass elements, but will lack much radioactive nuclei and iron-group elements. The above properties are broadly consistent with some of the rapid blue transients detected by Pan-STARRS and PTF. This scenario can be distinguished from alternative models using radio observations within a few years after the optical peak.

研究动机与目标

• 解释Pan-STARRS和PTF探测到的快速明亮蓝变星（FLBs）的起源，这些变星缺乏强的放射性衰变特征。
• 研究在致密前身星的超新星失败过程中形成的吸积盘是否能驱动可观测的电磁暂现源。
• 将此情景与诸如激波爆发或放射性衰变驱动的暂现源等其他模型区分开来。
• 预测可观测的特征——尤其是射电余晖——以供观测检验。

提出的方法

• 对大质量恒星直接形成黑洞过程中产生的吸积盘喷流进行超爱丁顿吸积的解析建模。
• 利用能量预算和辐射效率估计，计算吸积盘喷流的热辐射，假设吸积盘在 $r \sim 10 \times GM_{\text{BH}}/c^2$ 处达到圆形化。
• 通过能量守恒和动量通量分析，估算喷流速度、温度和光度，其中 $v_{\text{out}} \sim 10^5\ \text{km s}^{-1}$。
• 对星际介质中前导激波的同步辐射进行建模，预测在 $\sim$ GHz 频率下可探测到的射电余晖。
• 引入光谱特征（如缺乏紫外线吸收线和铁峰元素的缺失）以约束物质成分和能量来源。
• 采用标准余晖模型（Chevalier, 1998；Nakar & Piran, 2011）估算射电流量，假设 $\epsilon_e = \epsilon_B = 0.1$ 且 $p = 3$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在蓝超巨星或沃尔夫-拉叶星的超新星失败过程中，新生黑洞的吸积盘喷流是否能产生快速明亮蓝变星？
• RQ2 此类盘驱动暂现源的预期光度、持续时间和光谱特征是什么？
• RQ3 该模型如何与激波爆发或放射性衰变驱动的暂现源等其他模型相区分？
• RQ4 可预期哪些射电余晖特征？它们是否能被当前望远镜探测到？
• RQ5 FLBs的观测率及其宿主星系环境对吸积盘形成普遍性的启示是什么？

主要发现

• 吸积盘喷流模型产生的暂现源峰值总光度约为 $\sim 10^{42-43}\ \text{erg s}^{-1}$，与观测到的FLBs一致。
• 辐射持续时间约为3–10天，与观测到的快速蓝变星的短 timescale 相符。
• 光谱主要由中等质量元素（C、O、Ne、Mg）主导，$^{56}\text{Ni}$ 或铁群元素的贡献可忽略，解释了紫外吸收线缺失的现象。
• 喷流的动能可达 $\sim 10^{52}\ \text{erg}$，产生前导激波，形成可探测的射电余晖，峰值流量约为 $\sim 0.1\ \text{mJy}$，频率在 $\sim$ GHz 量级。
• 冷却辐射产生的软X射线发射，峰值在 $\sim 0.1-10\ \text{keV}$，光度 $\gtrsim 10^{43}\ \text{erg s}^{-1}$，持续约 $\sim 100\ \text{s}$，可能被eROSITA探测到。
• 该模型预测的此类暂现源发生率高于长暴发伽马射线暴，与观测到的FLBs占核心塌缩超新星的 $4\mbox{-}7\%$ 的比率一致。