[论文解读] Luminous Fast Blue Optical Transients and Type Ibn/Icn SNe from Wolf-Rayet/Black Hole Mergers

Brian D. Metzger|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 168被引用 88

一句话总结

本文提出，明亮快速蓝光学暂现源（LFBOTs）和Ibn/Icn型超新星源于双星系统中沃尔夫-拉叶星被黑洞或中子星潮汐撕裂并发生超吸积，由于遗存的环双星盘导致角动量损失，因而存在长达≥100年的延迟。该模型通过盘风喷流和中心引擎辐射的再处理，统一解释了快速上升、高光度、低⁵⁶Ni产量、非球对称喷流以及可变X射线辐射，将LFBOTs与Ibn/Icn型超新星通过并合延迟 timescale 联系起来。

ABSTRACT

Progenitor models for the "luminous" subclass of Fast Blue Optical Transients (LFBOTs; prototype: AT2018cow) are challenged to simultaneously explain all of their observed properties: fast optical rise times < days; peak luminosities >1e44 erg/s; low yields <0.1 Msun of 56Ni; aspherical ejecta with a wide velocity range (<3000 km/s to > 0.1-0.5 c with increasing polar latitude); presence of hydrogen-depleted-but-not-free dense circumstellar material (CSM) on radial scales from ~1e14 cm to ~3e16 cm; embedded variable source of non-thermal X-ray/gamma-rays, suggestive of a compact object. We show that all of these properties are consistent with the tidal disruption and hyper-accretion of a Wolf-Rayet (WR) star by a black hole (BH) or neutron star (NS) binary companion. In contrast with related previous models, the merger occurs with a long delay (>~ 100 years) following the common envelope (CE) event responsible for birthing the binary, as a result of gradual angular momentum loss to a relic circumbinary disk. Disk-wind outflows from the merger-generated accretion flow generate the 56Ni-poor aspherical ejecta with the requisite velocity range. The optical light curve is powered primarily by reprocessing X-rays from the inner accretion flow/jet, though CSM shock interaction also contributes. Primary CSM sources include mass-loss from WR star (e.g., from the L2 point) during the earliest stages of the merger (~<1e14 cm) and the relic CE disk and its photoevaporation-driven wind (>~ 1e16 cm). Longer delayed mergers may instead give rise to supernovae Type Ibn/Icn (depending on the WR evolutionary state), potentially connecting these transient classes with LFBOTs.

研究动机与目标

• 解决LFBOTs多波段性质的挑战，包括快速上升时间、高光度、低⁵⁶Ni产量以及可变X射线辐射。
• 通过WR星与致密天体延迟并合的共同前身体机制，统一LFBOTs与Ibn/Icn型超新星。
• 通过遗存环双星盘与光致蒸发风，解释在10¹⁴至10¹⁶ cm尺度上存在的致密、富氦贫氢的星周物质（CSM）。
• 通过快速非球对称喷流中光学深度τT ≈ 几的再处理，解释中心引擎的X射线可变性与康普顿凸起特征。
• 将观测到的射电同步辐射发射与快速极向喷流与致密CSM之间的激波相互作用联系起来，电子能谱偏离标准幂律。

提出的方法

• 模拟双星系统中黑洞或中子星对沃尔夫-拉叶星的潮汐撕裂，由于遗存环双星盘的角动量损失导致长达≥100年的延迟。
• 采用类GRMHD的吸积模型，吸积率超爱丁顿，满足Ṁ• ∝ t⁻²，并与AT2018cow的X射线光度一致。
• 模拟吸积流中的盘风喷流，产生具有快速极向组分（v > 0.1c）和低质量（Mfast ≈ 0.1 M⊙）的非球对称喷流，匹配光学上升时间。
• 计算X射线在快速极向喷流中的再处理，光学光曲线主要由再处理驱动，次要由CSM激波相互作用贡献。
• 从遗存共包层盘及其光致蒸发风估算CSM质量与密度，径向范围∼10¹⁶ cm，n ≳10⁵ cm⁻³，与射电辐射一致。
• 预测内盘区域的⁵⁶Ni产量≤10⁻² M⊙，与LFBOTs及Ibn/Icn型超新星中低⁵⁶Ni观测一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 WR星与黑洞或中子星的延迟并合是否能解释LFBOTs的快速上升、高光度与低⁵⁶Ni产量？
• RQ2 如何在一个事件中产生速度从3000 km s⁻¹到>0.1c的非球对称喷流？
• RQ3 何种物理机制产生观测到的可变X射线主导辐射、康普顿凸起及准周期振荡？
• RQ4 在10¹⁴–10¹⁶ cm尺度上存在的致密、贫氢CSM如何形成？其如何贡献于射电与光学辐射？
• RQ5 LFBOTs与Ibn/Icn型超新星的观测特性能否通过包含延迟并合的共同前身体情景统一？

主要发现

• 该模型通过Arnett关系再现了AT2018cow的光学上升时间，要求快速极向喷流质量≈0.1 M⊙，速度>0.1c。
• X射线光曲线由中心引擎可变X射线的再处理驱动，约30天后衰减速率与LX ∝ t⁻⁴一致。
• 康普顿凸起特征源于幂律谱通过快速极向壳层的再处理，汤姆孙光学深度τT ≈ 几，要求Mfast ≈ 0.1 M⊙。
• 盘风喷流中⁵⁶Ni产量预测≤10⁻² M⊙，与光学光曲线中缺乏晚期次峰一致。
• 射电辐射由快速喷流（v ≈ 0.1–0.2c）与CSM在r ≈ 10¹⁶ cm处的激波相互作用解释，CSM密度n ≳10⁵ cm⁻³，源自遗存环双星盘及其光致蒸发风。
• 延迟时间超过盘寿命时，产生Ibn/Icn型超新星，几乎无或极少H-rich CSM，将其与LFBOTs统一为并合驱动暂现源。