[论文解读] Short Gamma-Ray Bursts following mergers of an ONeMg with a CO white dwarf

Maxim Lyutikov, Silvia Toonen|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 7

一句话总结

本文提出，短伽马射线暴（GRBs）可由氧-氖-镁（ONeMg）白矮星与碳-氧（CO）白矮星的并合引发，随后发生吸积诱导塌缩（AIC）形成中子星。瞬时GRB辐射源于无吸积盘的直接塌缩，而延长辐射和余晖则来自未燃烧壳层物质的吸积及相对论性喷流，为中子星-中子星并合模型提供了一种替代方案，与观测到的延长辐射和耀斑具有更好的一致性。

ABSTRACT

We discuss a scenario of short Gamma-Ray Bursts (GRBs) following a merger of a massive ONeMg white dwarf (WD) with a CO WD, and an ensuing accretion induced collapse (AIC). An initial system with the primary mass $M_1 \sim 6-10 \, M_\odot$ and the secondary mass $M_2 \sim 3-6\, M_\odot$ forms, via two distinct evolutionary channels, a double degenerate CO-ONeMg WD system. For sufficiently large mass ratio $q \equiv M_2/M_1 > q_{crit} \sim 0.25$ the ensuing gravitational wave-driven mass transfer is unstable, whereby the less massive CO WD is disrupted and transfers its mass to the primary ONeMg WD on a few orbital time scales. The merger product ignites shell CO burning, adding mass to the degenerate core; at the same time mass and angular momentum is lost due to powerful winds. For an ONeMg WD sufficiently close to the Chandrasekhar mass an electron-capture accretion induced collapse (AIC) follows $\sim 10^4$ years afterwards. We associate the prompt short GRB emission with a direct collapse of an ONeMg WD to a neutron star, without formation of an accretion disk. After the collapse the accretion of the unburnt part of the shell onto the newly formed NS powers the extended emission (EE). During the collapse the neutron star is spun to millisecond periods and produce long lasting relativistic winds that shock against the material lost during the shell-burning stage, and produce afterglow emission from the wind termination shock.

研究动机与目标

• 为解决中子星-中子星（NS-NS）并合模型在短GRBs中的不一致性，特别是观测到的持续长达10^5秒的延长辐射和耀斑。
• 探索替代的短GRBs中心引擎机制，可在不依赖质量超过2.5 M☉的稳定并合后中子星的前提下产生持续发射。
• 研究ONeMg+CO白矮星双星系统中吸积诱导塌缩（AIC）作为短GRBs来源的可行性，包括可观测余晖与延长辐射。
• 模拟相对论性喷流与壳层物质的相互作用，以解释早期余晖特征与辐射的非对称性。
• 评估此类事件的稀有性与参数空间，强调仅有极小部分白矮星并合（≤10%的超钱德拉塞克尔系统）可产生短GRBs。

提出的方法

• 对质量比 q > 0.25 的ONeMg+CO白矮星双星系统中的引力波驱动质量转移进行建模，导致不稳定质量转移并破坏CO白矮星。
• 模拟吸积至ONeMg核心的CO物质中的壳层燃烧，该过程增加质量与角动量，而强喷流则排出质量与角动量。
• 计算ONeMg白矮星在接近钱德拉塞克尔极限时，约在并合后10^4年发生电子捕获诱导塌缩（AIC）的条件。
• 提出瞬时GRB辐射源于ONeMg白矮星直接塌缩为中子星，无吸积盘参与，且在塌缩过程中自旋至毫秒周期。
• 将延长辐射建模为未燃烧壳层物质在新形成中子星上的吸积所驱动，其时间尺度与观测到的延长尾迹一致。
• 模拟相对论性脉冲星喷流与并合前喷流及壳层的相互作用，产生在喷流终止激波处的余晖辐射，类似于长GRBs余晖的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的短GRBs延长辐射与耀斑是否可由非稳定并合后中子星的中心引擎机制解释？
• RQ2 在白矮星-白矮星并合后，ONeMg白矮星的吸积诱导塌缩（AIC）是否是驱动短GRBs的可行机制？
• RQ3 相对论性喷流与壳层物质的相互作用是否能产生与观测一致的余晖辐射？
• RQ4 此类并合产生短GRBs而非Ia型超新星或弱瞬变源所需的初始质量比与轨道参数为何？
• RQ5 AIC反弹喷出物与周围壳层（M_s ~ 0.1–0.3 M☉）的相互作用如何？其产生的辐射特征为何？

主要发现

• 该模型将瞬时GRB辐射解释为ONeMg白矮星直接塌缩为中子星所致，无需经历长期存在的吸积盘。
• 延长辐射由未燃烧壳层物质在新形成中子星上的吸积所驱动，其时间尺度与观测到的延长尾迹一致。
• 中子星在塌缩过程中被加速至毫秒周期，从而产生持续的相对论性喷流，进而在喷流终止激波处产生余晖辐射。
• AIC反弹喷出物与壳层（M_s ~ 0.1–0.3 M☉）的相互作用可产生速度约为c/3的弱相对论性喷流，温度约为几MeV，形成具有长 timescales 与较低光子能量的“脏”GRB。
• 壳层的激波爆发可将表面物质加速至弱相对论性速度，即使整体壳层移动缓慢，也能产生方向性辐射特征。
• 该模型预测由于脉冲星喷流在赤道方向的准直化及‘强推进器’状态下壳层喷射，导致辐射具有非对称性，与观测到的余晖形态一致。