[论文解读] The demographics of neutron star - white dwarf mergers: rates, delay-time distributions and progenitors

Silvia Toonen, Hagai B. Perets+3 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Apr 4, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 118被引用 3

一句话总结

本研究利用双星演化合成模型表征了中子星-白矮星（NS-WD）并合事件的群体特征，预测其并合率、延迟时间分布（DTD）、前身体系统及观测特性。研究发现，NS-WD并合事件的发生率约为Ia型超新星的3–15%，在年轻（1–10亿年）星系形成环境中达到峰值，并最可能与快速演化、暗弱、Ic型特征的暂现源相关，而非Ca-rich超新星，且在具有显著新生冲量的模型中，其并合位置偏移可达数百千秒差距。

ABSTRACT

The mergers of neutron stars (NSs) and white dwarfs (WDs) could give rise to explosive transients, potentially observable with current and future transient surveys. However, the expected properties and distribution of such events is not well understood. Here we characterize the rates of such events, their delay time distribution, their progenitors and the distribution of their properties. We use binary populations synthesis models and consider a wide range of initial conditions and physical processes. In particular we consider different common-envelope evolution models and different NS natal kick distributions. We provide detailed predictions arising from each of the models considered. We find that the majority of NS-WD mergers are born in systems in which mass-transfer played an important role, and the WD formed before the NS. For the majority of the mergers the WDs have a carbon-oxygen composition (60-80%) and most of the rest are with oxygen-neon WDs. The rates of NS-WD mergers are in the range of 3-15% of the type Ia supernovae (SNe) rate. Their delay time distribution is very similar to that of type Ia SNe, but slightly biased towards earlier times. They typically explode in young 0.1-1Gyr environments, but have a tail distribution extending to long, Gyrs-timescales. Models including significant kicks give rise to relatively wide offset distribution extending to hundreds of kpcs. The demographic and physical properties of NS-WD mergers suggest they are likely to be peculiar type Ic-like SNe, mostly exploding in late type galaxies. Their overall properties could be related to a class of rapidly evolving SNe recently observed, while they are less likely to be related to the class of Ca-rich SNe.

研究动机与目标

• 表征中子星-白矮星（NS-WD）并合事件的并合率、延迟时间分布（DTD）及前身体系统。
• 确定并合系统中白矮星成分（CO、ONe、He）的分布。
• 评估NS-WD并合的观测特征，包括与快速演化暂现源（如快速演化超新星或Ca-rich超新星）的潜在关联。
• 评估新生冲量与共同包层演化对并合位置偏移及宿主星系环境的影响。
• 将合成并合率与观测到的暂现源率进行比较，尤其关注Ca-rich超新星与快速演化超新星。

提出的方法

• 采用双星演化合成（BPS）模型模拟具有多样化初始条件的孤立原初双星系统的演化。
• 在不同共同包层演化假设（αα、αα2、γα）和中子星新生冲量分布（如麦克斯韦分布、顶帽分布）下运行多个模型。
• 追踪质量转移、共同包层阶段及致密天体双星（包括NS-WD系统）的形成过程。
• 通过追踪超新星爆发（形成中子星）与最终并合之间的时间间隔，计算延迟时间分布（DTD）。
• 按单位恒星质量计算并合率，并归一化至观测到的Ia型超新星率。
• 基于DTD与偏移分布推断宿主星系环境，特别关注矮星系中的恒星密度与逃逸速度。

实验结果

研究问题

• RQ1 NS-WD并合事件的总时间积分发生率相对于Ia型超新星及WD-WD并合事件的比例如何？
• RQ2 NS-WD并合事件的延迟时间分布（DTD）是怎样的？与Ia型超新星的DTD相比有何异同？
• RQ3 NS-WD并合事件的主要前身体系统及白矮星成分（CO、ONe、He）分布如何？
• RQ4 新生冲量如何影响NS-WD并合事件位置相对于其宿主星系的偏移距离？
• RQ5 NS-WD并合事件是否与Ca-rich超新星或快速演化超新星的观测特征一致？

主要发现

• NS-WD并合事件的总时间积分发生率估计为观测到的Ia型超新星率的3–15%，具体数值取决于模型假设。
• NS-WD并合事件的延迟时间分布（DTD）在早期（<1–2 Gyr）达到峰值，并延伸至哈勃时标，具有持续至十亿年量级的尾部分布。
• 绝大多数并合白矮星为碳氧（CO）型（占60–80%），少量为氧氖（ONe）型，而氦（He）型白矮星可忽略不计。
• 在包含显著中子星新生冲量的模型中，并合位置偏移可达300 kpc，尤其在低质量矮星系中更为显著。
• NS-WD并合事件最符合快速演化、暗弱、具有Ic型特征的超新星，因其光谱特征与DTD与之相似；而与Ca-rich超新星不一致，后者宿主环境更老且成分不同。
• 合成并合率与Ca-rich超新星的较高观测发生率（占Ia型超新星率的33–94%）不一致，提示这些事件可能具有其他前身体。