近接連星系における高速回転中性子星の形成とマグネター駆動型ストリップエンベロープ超新星

核心概念

近接連星系における潮汐相互作用によって高速回転するマグネターが形成され、それが超高光度超新星、ブロードラインIc型超新星、高速青色光過渡現象、一部のガンマ線バーストなど、様々な種類の極端なストリップエンベロープ超新星を引き起こす可能性がある。

要約

Hu, R.-C., Zhu, J.-P., Qin, Y., Shao, Y., Zhang, B., Yu, Y.-W., Liang, E.-W., Liu, L.-D., Wang, B., & Shu, X.-W. (2024). Formation of Fast-spinning Neutron Stars in Close Binaries and Magnetar-driven Stripped-envelope Supernovae. arXiv preprint arXiv:2301.06402v2.

本研究では、近接連星系における高速回転中性子星の形成過程と、それらが引き起こす極端なストリップエンベロープ超新星（SESNe）の起源を探求することを目的とする。具体的には、超高光度超新星（SLSNe-I）、ブロードラインIc型超新星（SNe Ic-BL）、高速青色光過渡現象（FBOTs）などのSESNeが、共通の起源として、近接連星系における潮汐相互作用によって形成された高速回転マグネターによって駆動されるという仮説を検証する。

抽出されたキーインサイト

Formation of Fast-spinning Neutron Stars in Close Binaries and Magnetar-driven Stripped-envelope Supernovae

by Rui-Chong Hu... 場所 arxiv.org 10-28-2024

https://arxiv.org/pdf/2301.06402.pdf

深掘り質問

近接連星系における高速回転マグネターの形成は、銀河の化学進化にどのような影響を与えるのだろうか？

近接連星系における高速回転マグネターの形成は、銀河の化学進化に多大な影響を与えると考えられています。マグネターは、その短い寿命の間にも、rプロセス元素と呼ばれる、鉄より重い元素を大量に生成すると考えられています。
rプロセス元素は、通常の星内部の核融合反応では生成されず、中性子星の合体や、マグネターからのアウトフローなど、中性子が非常に豊富な環境でのみ生成されると考えられています。
近接連星系でマグネターが形成されると、その強い磁場や回転エネルギーによって駆動されるアウトフローによって、rプロセス元素が星間物質に供給されます。この供給は、銀河全体のrプロセス元素の存在量や分布に影響を与え、ひいては銀河の化学進化に影響を与えると考えられます。
特に、近接連星系におけるマグネター形成は、宇宙初期の銀河におけるrプロセス元素の起源として重要であると考えられています。初期の銀河では、中性子星の合体のような現象が起こる頻度は低いため、マグネターがrプロセス元素の主要な供給源であった可能性があります。

マグネター以外のメカニズムで、極端なストリップエンベロープ超新星の観測された特性を説明することは可能だろうか？

極端なストリップエンベロープ超新星（SESNe）の観測された特性、特にその高い光度や特異な光度曲線を説明するために、マグネター以外にもいくつかのメカニズムが提案されています。以下に主なものを挙げます。

降着ブラックホール： 大質量星の崩壊によって形成されたブラックホールへの物質の降着は、莫大なエネルギーを解放し、SESNeの光度を説明できる可能性があります。降着円盤からのジェットの形成は、ガンマ線バーストなどの現象にも関連付けられています。
相互作用する超新星： 近接連星系において、超新星爆発の際に放出された物質が伴星と相互作用することで、通常の超新星よりも高い光度や特異な光度曲線が観測される可能性があります。
対不安定型超新星： 非常に重い星の内部で、電子と陽電子の対生成が起こると、星の圧力が低下し、重力崩壊が加速されます。このタイプの超新星爆発は、非常に明るく、ニッケル56の放射性崩壊だけでは説明できない光度曲線を示すと考えられています。
これらのメカニズムは、それぞれ観測的な証拠や理論的な課題を抱えています。例えば、降着ブラックホールモデルでは、観測されるSESNeの発生頻度を説明するのが難しいという問題があります。また、相互作用する超新星モデルでは、伴星の存在を示唆する観測的な証拠が不足している場合があります。
現在のところ、マグネターモデルは、SESNeの多様な観測結果を最も包括的に説明できるモデルの一つと考えられていますが、他のメカニズムの可能性を完全に排除することはできません。今後の観測や理論研究によって、SESNeの真の姿が明らかになることが期待されます。

高速回転するマグネターの形成は、他の極端な天体現象、例えば高速電波バーストなどと関連しているのだろうか？

高速回転するマグネターの形成は、高速電波バースト(FRB)を含む、他の極端な天体現象と関連している可能性が指摘されており、活発な研究分野となっています。
高速電波バーストは、ミリ秒スケールの非常に短い時間幅で強い電波パルスを放射する天体現象です。その起源は完全には解明されていませんが、マグネターが有力な候補の一つとして考えられています。
高速回転するマグネターは、その強力な磁場エネルギーを解放することで、FRBを発生させる可能性があります。例えば、マグネターからの磁気リコネクションや、磁気圏における粒子加速などが、FRBの発生メカニズムとして提案されています。
また、マグネターは、その誕生時に超新星爆発を伴う場合があり、この爆発によって周囲の物質が加熱され、電波放射が観測される可能性があります。このような電波放射は、FRBと時間的に近いタイミングで観測されることがあり、「FRBと超新星の関連」を示唆している可能性があります。
さらに、マグネターは、その強い磁場によって周囲の物質に衝撃波を発生させる可能性があります。この衝撃波は、粒子加速を引き起こし、電波放射を生成すると考えられています。このようなメカニズムも、FRBの発生源として考えられています。
ただし、マグネターとFRBの関連はまだ確定的なものではありません。FRBの観測例が増加し、その性質が明らかになるにつれて、マグネターとの関連性についても、より詳細な研究が可能になると期待されています。