[论文解读] Neutron star natal kicks: Collisions, $μ$TDEs, faint SNe, GRBs and GW sources with preceding electromagnetic counterparts

Erez Michaely, Dimitry Ginzburg+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 5

一句话总结

本文研究双星系统中中子星（NS）的新生速度，表明高速新生速度可导致直接碰撞、微潮汐撕裂事件（μTDEs）、白矮星撕裂引发的暗淡超新星、X射线双星形成，以及短 timescale 引力波（GW）源。通过群体合成模型，发现约 10⁻⁴ 的 NS 会形成合并时间小于 10⁶ 年的黑洞-中子星双星系统，使其可被 eLISA 探测，且 aLIGO GW 源可能具有 preceding 类型 Ib/c SN 电磁对应体。

ABSTRACT

Based on the observed high velocity of pulsars it is thought that neutron stars (NSs) receive a significant velocity kick at birth. Such natal kicks are considered to play an important role in the the evolution of binary-NS systems. The kick given to the NS (together with the effect of mass loss due to the supernova explosion of the NS progenitor) may result in the binary disruption or lead to a significant change of the binary orbital properties. Here we explore in detail the dynamical aftermath of natal kicks in binary systems, determine their possible outcomes and characterize their relative frequency, making use of analytic arguments and detailed population synthesis models. In a fraction of the cases the kick may cast the NS in such a trajectory as to collide with the binary companion, or pass sufficiently close to it as to disrupt it (micro tidal disruption event; $μ$TDE), or alternatively it could be tidally-captured into a close orbit, eventually forming an X-ray binary. We calculate the rates of direct post-kick physical collisions and the possible potential production of Thorne-Zytkow objects or long-GRBs through this process, estimate the rates X-ray binaries formation and determine the rates of $μ$TDEs and faint supernovae from white dwarf disruptions by NSs. Finally we suggest that natal kicks can produce BH-NS binaries with very short gravitational-wave merger time, possibly giving rise to a new type of promptly appearing eLISA gravitational wave (GW) sources, as well as producing aLIGO binary-merger GW sources with a unique (likely type Ib/c) supernova electromagnetic counterpart which precedes the GW merger.

研究动机与目标

• 表征中子星新生速度在双星系统中引发的动力学结果，包括碰撞、潮汐撕裂及捕获至近距离轨道。
• 估算 μTDEs、白矮星撕裂引发的暗淡超新星及 Thorne-Zytkow 天体形成的稀有瞬变事件的事件率。
• 探索短 timescale 引力波源的形成，包括具有电磁前兆的 eLISA 和 aLIGO 系统。
• 量化新生速度在形成 X 射线双星及合并时间短的黑洞-中子星系统中的作用。
• 评估新生速度对长伽马射线暴（long-GRBs）及通过快速吸积或碰撞形成的奇异恒星天体形成的潜在影响。

提出的方法

• 对 587,019 个双星系统执行群体合成，演化至中子星形成为止。
• 在超新星爆发时刻随机化轨道相位，并从麦克斯韦速度分布中抽取新生速度，σ_kick = 270 km/s（另以 190 km/s 作为对比）。
• 利用轨道动力学与速度矢量方向，计算中子星与其伴星之间的最小接近距离 r_min。
• 基于 r_min 与伴星半径 R_s 及中子星半径 R_NS 的关系对结果进行分类：碰撞（r_min < R_s + R_NS）、μTDEs（R_s + R_NS < r_min < R_s (2m_NS/m_s)^{1/3}）及潮汐捕获。
• 使用解析模型识别决定结果概率的关键参数（速度大小、质量损失、半长轴）。
• 估算 μTDEs、暗淡超新星、X 射线双星、TZO 形成及具有电磁前兆的 GW 源的事件率。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星新生速度中有多大比例会导致与双星伴星发生直接物理碰撞？
• RQ2 中子星与其伴星近距离遭遇引发的微潮汐撕裂事件（μTDEs）的预期事件率是多少？
• RQ3 新生速度能否产生中子星 X 射线双星？其中高/低质量 X 射线双星的比例是多少？
• RQ4 新生速度是否会导致短 timescale 引力波源的形成，如具有电磁对应体的 eLISA 或 aLIGO 系统？
• RQ5 中子星与大质量恒星或白矮星的碰撞是否可通过快速吸积和黑洞形成，产生 Thorne-Zytkow 天体或长伽马射线暴（long-GRBs）？

主要发现

• 中子星与主序星直接碰撞的事件率约为 9 × 10⁻⁵ yr⁻¹，中值碰撞时间约为 ~1.17 × 10⁶ 秒（约 13 天），表明此类事件在前身超新星仍可观测时即可能发生。
• 微潮汐撕裂事件（μTDEs）的事件率估计为 ~10⁻⁴ yr⁻¹，其中显著比例的事件发生在超新星爆发后数天至数周内。
• 中子星撕裂白矮星引发的暗淡超新星事件率约为 ~10⁻⁴ yr⁻¹，由于中子星前身星为剥离型，此类事件可能为 Ib/c 型。
• 约 1–3 × 10⁻⁴ 的中子星被捕获进入近距离轨道形成 X 射线双星，其中 156 个被捕获系统中有 11 个拥有低质量主序星伴星（可能为 LMXBs）。
• 约 10⁻⁴ 的中子星形成合并时间 <10⁶ 年的黑洞-中子星双星系统，使其成为潜在的 eLISA 源并具有电磁前兆。
• 由于新生速度后合并时间短，aLIGO GW 源中来自黑洞-中子星合并的显著比例可能具有 preceding 类型 Ib/c 超新星电磁对应体。