重力波データが示す、大部分の輝く赤新星は中性子星合体に至らない
天文学者たちは初めて重力波観測を活用し、連星系の恒星が互いを壮絶に引き裂く際に何が起こるのかを具体的な数値で示した。その答えは驚くべきものだ。これらの現象の大部分は、LIGOやVirgoが検出可能な中性子星やブラックホールの合体とは別の結果を生み出す。
この研究はDhruv Jain氏とその共同研究者らによるもので、天体物理学誌（Astrophysical Journal）に受理された。研究は輝く赤新星（LRNe）に関する長年の疑問に取り組む。LRNeとは、連星系の2つの恒星が共通のガス外層を共有する際に発生する明るい光学トランジェント現象である。天文学者たちは、これらの現象が最終的にらせん状に近づいて合体し重力波を生み出すコンパクト連星系の誕生の兆候ではないかと長年推測してきた。新たな研究は実際のデータを用いてこの仮説を検証する。
研究チームは、Zwicky Transient Facility（ZTF）が測定した輝く赤新星の観測頻度を、LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）共同観測の第4期観測で測定された重力波合体頻度と比較した。中心的な結果は明白だ。宇宙の年齢の範囲内で、LRNeの約0.1%しか連星中性子星（BNS）または中性子星–ブラックホール（NSBH）の合体を生み出さない。
共通外層とその余波
輝く赤新星は、近接連星系にある2つの恒星の外層が共有され、両方の恒星核を包む単一のガスの「共通外層」を形成する際に発生すると考えられている。この外層内の摩擦により恒星核は内側へらせん状に進み、外層物質を宇宙空間に放出し、特徴的な赤い光学バーストを生み出す。
従来の見方では、このらせん降着過程により残った恒星核の軌道が大幅に縮小され、最終的にはコンパクト連星系として合体し、重力波観測所で検出可能になるとされていた。しかし数値は一致しなかった。観測されるLRNeの頻度は、重力波検出器が捉えるコンパクト連星合体の頻度をはるかに上回っている。
Jain氏のチームはこの不一致を定量化する厳密な枠組みを構築した。ZTFのLRN頻度を使用し、コンパクト連星が合体するまでの時間の遅延時間分布モデルを適用して、すべてのLRNがコンパクト連星につながった場合にいくつのLRNeが重力波合体を生み出すべきかを計算した。予測された頻度はLVKが観測した値を数桁上回っていた。
わずか0.1%
導き出された制約は約千分の一であり、共通外層放出の大半が異なる結果をもたらすことを意味する。主要な代替結果は直接恒星合体である。共通外層内部の2つの核が、検出可能な重力波現象を後日生み出せるほど軌道が縮まる前に衝突・合体する。一部の系では、単にハッブル時間内に合体しない広い連星系を生み出す可能性もある。
この結果は、共通外層の効率に関する理論的仮定に長年依存してきた連星進化モデルに観測的制約をもたらす。大部分のLRNeがコンパクト連星ではなく恒星合体を生み出す場合、共通外層段階は多くのモデルが想定するよりも軌道縮小の効率がはるかに低いことになる。
本論文はarXivで識別番号2511.19243として公開されており、天体物理学誌（Astrophysical Journal）に受理されている。
雅子 訳