[论文解读] The response of a red supergiant to a common envelope jets supernova (CEJSN) impostor event

Nitzan Ragoler, Ealeal Bear+3 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 50被引用 2

一句话总结

本研究利用一维恒星演化模拟，建模了中子星（NS）在高度椭圆轨道上穿过红超巨星（RSG）包层后的情形，期间注入能量并以喷流形式抛射质量。RSG的包层显著膨胀，使中子星得以保持嵌入状态并持续吸积，同时在数月内持续喷射较弱但辐射效率更高的后期喷流，产生持续数月到数年的明亮暂现事件（≳10⁸ L⊙）。

ABSTRACT

Using a one-dimensional stellar evolution code we simulate the response of a red supergiant (RSG) star to injection of energy and to mass removal. We take the values of the energy that we inject and the mass that we remove according to our previous three-dimensional hydrodynamical simulations of a neutron star (NS) on a highly eccentric orbit that enters the envelope of an RSG star for half a year and launches jets as it accretes mass via an accretion disk. We find that for injected energies of ~1e47-1e48 erg and removed mass of ~0.03-0.6Mo the RSG envelope expands to a large radius. Therefore, we expect the NS to continue to orbit inside this massive inflated envelope for several more months, up to about twice the initial RSG radius, to continue to accrete mass and launch jets for a prolonged period. Although these late jets are weaker than the jets that the NS launches while inside the original RSG envelope, the late jets might actually be more influential on the light curve, leading to a long, several months to few years, and bright, about >10^8Lo, transient event. The RSG returns to more or less a relaxed structure after about ten years, and so another transient event might occur in the next periastron passage of the NS. Our results add to the already rich variety of jet-driven explosions/outbursts that might account for many puzzling transient events.

研究动机与目标

• 模拟红超巨星（RSG）在高度椭圆轨道上中子星（NS）注入能量并抛射质量后的长期响应。
• 研究中子星在初始通过后是否能因包层膨胀而在RSG包层中长期保持嵌入状态。
• 评估在膨胀包层中后期喷流驱动的暂现事件的光度与持续时间。
• 评估后期喷流与原始RSG包层中喷流相比的辐射效率。
• 评估RSG随时间松弛后可能引发重复的CEJSN假象事件的可能性。

提出的方法

• 使用MESA恒星演化代码模拟RSG演化，初始为15 M⊙的ZAMS恒星，演化至RSG阶段（795 R⊙，13.2 M⊙）。
• 基于中子星穿过RSG包层的三维流体动力学模拟结果，施加能量注入与质量移除。
• 将先前三维模拟中获得的能量注入量（≈10⁴⁷–10⁴⁸ erg）与质量抛射量（≈0.03–0.6 M⊙）作为输入参数。
• 追踪RSG在数十年内的结构演化，重点关注包层膨胀、半径扩展及吸积率变化。
• 在包层膨胀后，评估在较大轨道距离（最高约1700 R⊙）处的喷流功率与辐射效率。
• 将后期喷流在低密度膨胀区域的辐射效率与早期喷流在致密RSG包层中的效率进行比较，考虑绝热冷却与光子扩散时间的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星在高度椭圆轨道上穿过RSG包层并注入能量、抛射质量后，RSG的结构如何演化？
• RQ2 由于包层膨胀，中子星是否能在初始通过后数月内仍保持在RSG包层中？
• RQ3 在膨胀包层中后期喷流驱动的暂现事件的光度与持续时间是多少？
• RQ4 尽管功率较低，为何后期喷流的辐射效率可能高于早期喷流？
• RQ5 RSG是否能恢复至稳定状态，从而在后续近星点通过时引发重复的CEJSN假象事件？

主要发现

• 能量注入与质量抛射后，RSG包层膨胀至半径约1500–1700 R⊙，使中子星可保持嵌入状态长达数月之久。
• 在约1500 R⊙处，中子星吸积率维持在≈0.05 M⊙ yr⁻¹，约为近星点峰值吸积率的30%，支持持续数月的喷流活动。
• 尽管后期喷流功率较弱，但其辐射效率更高——可能达10–30%——原因在于低密度、膨胀区域中绝热冷却减弱且光子扩散时间缩短。
• 由此产生的暂现事件光度可达≈10⁸ L⊙，持续数月到数年，是解释明亮、长时标暂现事件的合理机制。
• RSG在约10年内可恢复至稳定状态，为后续近星点通过时再次发生CEJSN假象事件提供了可能。
• 喷流反馈机制使吸积率降低10–100倍，但膨胀的包层仍能支持持续且可观测的喷流活动。