[论文解读] Radio Nebul\ae\ from Hyper-Accreting X-ray Binaries as Common Envelope Precursors and Persistent Counterparts of Fast Radio Bursts

Navin Sridhar, Brian D. Metzger|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 168被引用 51

一句话总结

该论文提出，经历超爱丁顿质量转移的超吸积X射线双星可产生寿命短暂、能量强烈的射电星云——'ULX超新星云'——这些星云可作为共包层事件的前兆，并作为重复快速射电暴（FRB）的持久射电对应体。该模型表明，这些星云可产生时变的旋转量（RM）和符合FRB 20121102与FRB 20190520B的同步辐射射电发射，在如VLASS等巡天中可探测到年到十年时间尺度的射电暂现源。

ABSTRACT

Roche lobe overflow from a donor star onto a black hole or neutron star binary companion can evolve to a phase of unstable runaway mass-transfer, lasting as short as hundreds of orbits ($\lesssim 10^{2}$ yr for a giant donor), and eventually culminating in a common envelope event. The highly super-Eddington accretion rates achieved during this brief phase ($\dot{M} \gtrsim 10^{5}\dot{M}_{ m Edd})$ are accompanied by intense mass-loss in disk winds, analogous but even more extreme than ultra-luminous X-ray (ULX) sources in the nearby universe. Also in analogy with observed ULX, this expanding outflow will inflate an energetic `bubble' of plasma into the circumbinary medium. Embedded within this bubble is a nebula of relativistic electrons heated at the termination shock of the faster $v \gtrsim 0.1 c$ wind/jet from the inner accretion flow. We present a time-dependent, one-zone model for the synchrotron radio emission and other observable properties of such ULX `hyper-nebulae'. If ULX jets are sources of repeating fast radio bursts (FRB), as recently proposed, such hyper-nebulae could generate persistent radio emission and contribute large and time-variable rotation measure to the bursts, consistent with those seen from FRB 20121102 and FRB 190520B. ULX hyper-nebulae can be discovered independent of an FRB association in radio surveys such as VLASS, as off-nuclear point-sources whose fluxes can evolve significantly on timescales as short as years, possibly presaging energetic transients from common envelope mergers.

研究动机与目标

• 模拟在共包层事件前不稳定质量转移阶段，超吸积X射线双星的电磁辐射发射。
• 探讨此类系统是否能产生持久射电源及与观测到的FRB对应体匹配的时变旋转量（RM）。
• 评估这些超新星云在如VLASS等射电巡天中是否可探测，以及其作为明亮暂现源前兆的潜力。
• 检验重复FRB由具有进动喷流的ULX类系统中相对论喷流驱动的假设。
• 提供一个统一框架，将FRB的持久射电源、可变RM与短暂超吸积阶段产生的射电暂现星云联系起来。

提出的方法

• 建立一个时间依赖的一zone模型，用于模拟在膨胀星云中喷流终止激波处加热的相对论电子产生的同步辐射射电发射。
• 自洽演化星云大小、磁场、电子能量分布及辐射损失与绝热损失随时间的变化。
• 将吸积盘风（慢速、赤道方向）和相对论喷流（快速、双极方向）作为星云膨胀与电子注入的驱动力。
• 评估可观测特性：射电光度、旋转量（RM）、色散量、光谱能量分布，作为吸积率与喷流参数的函数。
• 使用基准参数（例如，˙M/ ˙MEdd ∈[10, 10⁷]，vj ≳0.1c）模拟自由膨胀、减速及活动后阶段的演化。
• 将模型预测与观测到的FRB 20121102和FRB 20190520B射电对应体进行比较，包括光谱形状与RM时变性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超吸积X射线双星能否产生具有与FRB 20121102和FRB 20190520B观测结果匹配的时变旋转量（RM）的射电星云？
• RQ2 由短暂、超爱丁顿吸积阶段产生的ULX超新星云是否能在年到十年时间尺度上产生可探测的射电暂现源？
• RQ3 能否通过一个年轻、相对论性激波星云模型重现FRB 20121102和FRB 20190520B的持久射电发射与光谱特性？
• RQ4 喷流速度变化或电子温度分布对产生比热力学更宽的FRB对应体射电光谱有何作用？
• RQ5 在当前及未来的射电巡天（如VLASS）中，可能探测到多少此类超新星云？

主要发现

• 在接近基准假设条件下，ULX超新星云可重现FRB 20121102与FRB 20190520B的射电谱形与时变旋转量（|RM|max ≈ 10⁴ rad m⁻²）。
• 更宽的观测射电谱形需要电子温度存在适度分布，对应于喷流速度或注入时间存在≤2–3倍的变化。
• 该模型可解释FRB 20121102、20190520B与20180916B中RM变化的长期趋势与涨落 timescales，归因于星云内湍流或视线方向变化。
• 在VLASS巡天体积内，可能有∼10³–10⁶个此类超新星云存在，其中约O(10)个在年到十年时间尺度上表现出可探测的流量演化。
• 这些系统的射电暂现源可能预示未来的共包层事件，如明亮红新星或快速蓝光学暂现源。
• X射线与光学对应体较暗，难以在∼100 Mpc以外探测，但高分辨率射电后续观测可约束星云的几何纵横比及喷流与风的动力学。