長伽馬射線暴中吸積中子星的引力坍縮發生

핵심 개념

在二元驅動型超新星爆發中,中子星可能會在吸積過程中達到臨界質量而引力坍縮成黑洞。這種情況的發生取決於中子星的初始角動量和吸積率。

초록

本文旨在確定在何種條件下中子星會在吸積過程中引力坍縮成黑洞,以及這對長伽馬射線暴的觀測特性和分類的影響。

作者進行了三維平滑粒子流體動力學模擬,使用最新的中子星核方程of state (EOS),包括和不包括超子,並在完全廣義相對論框架下計算結構演化。

模擬結果顯示,在短軌道週期的二元系統(約5分鐘)中,中子星會迅速達到臨界質量而引力坍縮成黑洞,釋放能量超過10^52 erg。這些系統會形成中子星-黑洞雙星,在重力波輻射作用下在數萬年內合併。

在較長軌道週期的系統中,中子星不會形成黑洞,釋放能量在10^50-10^52 erg之間。這些系統會形成中子星-中子星雙星,合併時間尺度較長。

某些緊湊的系統中,任一中子星都可能變成超重質量,即超過非旋轉中子星的臨界質量。強磁場(10^13 G)的磁制動作用可以延遲黑洞的形成,導致形成黑洞-黑洞或中子星-黑洞雙星,合併時間尺度也在數萬年內。

통계

吸積率峰值可達10^-3 M⊙/s,密度接近10^8 g/cm^3。
初始角動量越大,中子星達到不穩定極限的時間越短。

인용구

"在短軌道週期的二元系統(約5分鐘)中,中子星會迅速達到臨界質量而引力坍縮成黑洞,釋放能量超過10^52 erg。"
"某些緊湊的系統中,任一中子星都可能變成超重質量,即超過非旋轉中子星的臨界質量。"

핵심 통찰 요약

Occurrence of gravitational collapse in the accreting neutron stars of binary-driven hypernovae

by L. M... 게시일 arxiv.org 10-03-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.05767.pdf

더 깊은 질문

除了初始角動量和吸積率,還有哪些因素可能影響中子星引力坍縮的發生?

除了初始角動量和吸積率外，還有多個因素可能影響中子星引力坍縮的發生。首先，中子星的質量是關鍵因素之一。當中子星的質量超過其臨界質量（約為2.0至2.5倍太陽質量）時，無論其旋轉速度如何，最終都會導致引力坍縮成黑洞。此外，核方程式（EOS）也會影響中子星的結構和穩定性。不同的EOS會導致不同的中子星最大質量和半徑，進而影響其引力坍縮的可能性。
其次，磁場的強度和結構也可能影響中子星的演化。強磁場可能會導致磁性制動，從而延遲黑洞的形成。最後，雙星系統的動力學特性，如雙星的軌道週期和相互作用，也會影響中子星的吸積過程和引力坍縮的時間。這些因素共同作用，決定了中子星是否會引力坍縮成黑洞。

如果中子星不會引力坍縮成黑洞,會有什麼其他可能的結果?

如果中子星不會引力坍縮成黑洞，則可能會出現幾種其他結果。首先，中子星可能會保持穩定，成為超質量中子星，這種情況下中子星的質量會接近其臨界質量，但不會超過。這樣的中子星可能會經歷長時間的穩定存在，並可能成為雙中子星系統的一部分，最終通過引力波輻射合併。
其次，中子星也可能會經歷質量轉移，從而減少其質量，這可能發生在與伴星的相互作用中。這種情況下，中子星可能會變得更加穩定，並且不會引力坍縮。最後，若中子星的吸積過程受到限制，則可能形成一個超磁性中子星（即毫秒磁星），這些中子星的旋轉速度極快，並可能成為伽馬射線暴的潛在來源。

中子星-黑洞或中子星-中子星雙星的合併會產生什麼樣的天文現象,對我們的宇宙認知有什麼啟示?

中子星-黑洞或中子星-中子星雙星的合併會產生一系列重要的天文現象。首先，這些合併事件會釋放出巨大的能量，並可能產生引力波，這些引力波可以被地面上的引力波探測器（如LIGO和Virgo）檢測到。這些引力波的觀測不僅提供了關於雙星系統的質量和距離的信息，還為我們提供了關於宇宙中極端物理條件下的物質行為的見解。
其次，合併事件還可能伴隨著伽馬射線暴（GRB）和其他電磁輻射的釋放，這些現象可以幫助我們理解重元素的形成過程，因為這些合併被認為是重元素（如金和鉛）合成的重要來源。這些觀測結果對於我們理解宇宙的演化、元素的起源以及重力和電磁相互作用的基本物理提供了重要的線索。
總之，中子星-黑洞或中子星-中子星的合併不僅是極端天文現象的源泉，還為我們提供了關於宇宙結構和演化的深刻見解，挑戰了我們對於物理學的基本理解。