[论文解读] Single and binary stellar progenitors of long-duration gamma-ray bursts

Dorottya Szécsi|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文综述了长持续时间伽马射线暴（LGRB）的理论前身体，重点关注塌缩星模型与磁星模型。研究识别出通过单星或双星系统中化学均质演化形成的快速旋转、无包层的大质量恒星——即TWUIN恒星——是关键候选体，其演化结果包括LGRB、超新星以及引力波源。

ABSTRACT

This review describes the most common theories behind long-duration gamma-ray burst progenitors. I discuss two astrophysical scenarios: the collapsar and the magnetar models. According to their requirements, the progenitor should be an envelope-free massive star with a fast rotating, collapsing iron core. Such an object, called a TWUIN star, may be produced by chemically homogeneous evolution either from a massive single star or a massive binary system. Various outcomes of this evolutionary path (e.g. supernova explosions and gravitational wave production) are also mentioned, and directions for future research are suggested. In the era of multi-messenger astronomy, my hope is to present a timely overview on how stellar astrophysicists are searching for progenitor models of long-duration gamma-ray bursts, and what they have found so far.

研究动机与目标

• 综合当前关于长持续时间伽马射线暴（LGRB）前身体的理论模型。
• 识别形成LGRB所需的天体物理条件，特别是快速旋转且无氢包层的大质量恒星。
• 探讨化学均质演化在单星与双星系统中形成TWUIN恒星的作用。
• 将LGRB前身体模型与多信使天文学（包括引力波与超新星遗迹）联系起来。
• 识别当前建模大质量恒星演化与LGRB起源方面的开放性问题与未来研究方向。

提出的方法

• 分析塌缩星情景：快速旋转、铁核坍缩的大质量恒星形成黑洞并伴随吸积盘，产生相对论喷流。
• 考察磁星情景：高度磁化、快速旋转的中子星通过自转降速能量驱动LGRB。
• 回顾无包层大质量恒星对喷流逃逸的必要性，使用TWUIN恒星作为前身体的概念。
• 应用化学均质演化的理论，解释单星或双星系统中的大质量恒星如何避免包层保留并演化为TWUIN恒星。
• 将详细的双星演化模拟与群体合成模型相结合，以预测LGRB发生率与引力波辐射。
• 利用低金属丰度矮星系的观测约束与多信使数据，检验前身体模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量恒星需满足何种天体物理条件才能产生长持续时间伽马射线暴？
• RQ2 单星或双星系统中的化学均质演化如何导致TWUIN恒星的形成，而TWUIN恒星是公认的LGRB前身体？
• RQ3 金属丰度与轨道参数在决定大质量双星系统是否产生LGRB或引力波辐射的致密天体方面起何作用？
• RQ4 TWUIN恒星如何促进早期宇宙的再电离？其可观测特征如何验证这一机制？
• RQ5 当前双星演化模型的关键局限性是什么？如何改进以更准确预测LGRB与引力波前身体？

主要发现

• TWUIN恒星——通过化学均质演化形成的快速旋转、无包层大质量恒星——是单星与双星系统中LGRB前身体的首选候选体。
• 塌缩星模型要求发生失败超新星、黑洞形成以及通过中心黑洞周围的吸积盘产生喷流。
• 磁星模型依赖于快速旋转、高度磁化的中子星作为中心引擎，能量来源于自转降速。
• 轨道周期小于3天且金属丰度低的双星系统可通过化学均质演化形成双黑洞系统，从而产生引力波辐射。
• 此类系统中中子星与黑洞的并合可能产生超亮X射电源，且可能与短持续时间伽马射线暴相关。
• 详细模拟表明，双星系统中的化学均质演化在低金属丰度条件下更易发生，将LGRB前身体与贫金属环境联系起来。