Luminous Fast Blue Optical Transients as very massive star core-collapse events

Título: Luminous Fast Blue Optical Transients (LFBOTs) como eventos de colapso del núcleo de estrellas muy masivas

1. El Problema

Los Transitorios Ópticos Azules Rápidos y Luminosos (LFBOTs) son eventos extragalácticos raros y de evolución rápida, cuyo origen físico sigue siendo desconocido. El prototipo, AT 2018cow ("La Vaca"), se caracteriza por:

• Picos de luminosidad en el óptico/UV comparables a las supernovas superluminosas (SLSNe).
• Espectros tempranos calientes (>20.000 K), sin líneas de Hidrógeno (H) ni Helio (He).
• Tasas de decaimiento rápidas (>0.3 mag/día), lo que descarta una potencia significativa por decaimiento de $^{56}$Ni.
• Emisión brillante en rayos X y, en etapas tardías, en radio (debida a interacción con un medio circumestelar denso, CSM).

Las explicaciones propuestas incluyen la disrupción de enanas blancas por agujeros negros de masa intermedia (TDEs) o fusiones de estrellas Wolf-Rayet con agujeros negros. Sin embargo, este trabajo explora la viabilidad de un tercer escenario: el colapso del núcleo de estrellas muy masivas que resulta en la formación directa de un agujero negro sin una supernova exitosa (una "supernova fallida"), seguido de la acreción de material residual.

2. Metodología

Los autores utilizan modelos de síntesis de poblaciones binarias para evaluar si la formación de agujeros negros (BH) masivos puede explicar las tasas observadas y las propiedades de los LFBOTs.

• Modelos Estelares: Se emplearon los modelos BPASS v2.2.1 (Binary Population and Spectral Synthesis), que incluyen evolución estelar binaria detallada en 13 metalicidades, con una función de masa inicial (IMF) de Kroupa y un rango de masas de 0.1 a 300 $M_\odot$.
• Historia de Formación Estelar (CSFH): Se acoplaron los modelos estelares con una historia de formación estelar cósmica dependiente de la metalicidad (modelo de Langer & Norman 2006), variando la metalicidad en $\pm 0.2$ dex para evaluar incertidumbres.
• Criterios de Colapso: Se definieron los remanentes basándose en la masa del núcleo de CO y ONe. Se asume que los eventos que forman agujeros negros no producen supernovas exitosas (fallidas), mientras que los que forman estrellas de neutrones sí. Se consideran también las supernovas por inestabilidad de pares (PISNe).
• Comparación Observacional:
  • Se comparó la tasa volumétrica de formación de BHs con masa $> M_{BH,min}$ contra la tasa observada de LFBOTs ($\sim 0.1\%$ de la tasa de supernovas de colapso del núcleo).
  • Se analizó la distribución de metalicidades de los progenitores de estos BHs frente a las metalicidades observadas en las galaxias huésped de los LFBOTs.
  • Se modeló la emisión de acreción (discos de acreción) para ver si podían reproducir las curvas de luz UV de larga duración (como en AT 2018cow) y las propiedades del medio circumestelar (CSM).

3. Contribuciones Clave y Resultados

A. Tasas de Formación y Masas de Agujeros Negros

• Se encontró que la tasa de formación de agujeros negros con masas $> 30-40 M_\odot$ coincide con la tasa observada de LFBOTs ($\sim 0.1\%$ de la tasa de CCSN).
• Este resultado es robusto frente a variaciones en la historia de formación estelar cósmica (CSFH).
• La masa mínima requerida varía ligeramente según la CSFH asumida (entre 33 y 41 $M_\odot$), pero el rango de 30-40 $M_\odot$ es consistente.

B. Metalicidad y Entornos

• Sesgo a baja metalicidad: Los progenitores que forman estos BHs masivos están fuertemente sesgados hacia bajas metalicidades ($Z < 0.3 Z_\odot$).
• Discrepancia: Aunque la mayoría de los LFBOTs ocurren en galaxias de baja metalicidad, algunos (como AT 2018cow) muestran metalicidades integradas de la galaxia ($\sim 0.5 Z_\odot$) superiores a las predichas por el modelo ($Z < 0.3 Z_\odot$).
• Resolución: Los autores sugieren que las mediciones integradas de la galaxia pueden ocultar "bolsas" locales de baja metalicidad donde ocurre la formación estelar, o que la metalicidad medida no representa el entorno inmediato del progenitor.

C. Composición y Medio Circumestelar (CSM)

• Espectros sin H/He: Los modelos seleccionados (principalmente estrellas Wolf-Rayet) tienen fracciones de masa superficial de H y He muy bajas ($X_{surf} \approx 0.003$, $Y_{surf} \approx 0.08$), lo que es consistente con los espectros tempranos de los LFBOTs.
• Densidad del CSM: Las tasas de pérdida de masa ($\dot{M}$) y velocidades del viento calculadas en los modelos son menores que las inferidas de las observaciones de radio de los LFBOTs.
• Explicación: Dado que los modelos BPASS terminan al final de la quema de carbono, es probable que existan fases de pérdida de masa eruptiva y densa en las etapas finales (antes del colapso) que no están capturadas en la simulación, pero que explicarían la alta densidad del CSM observada.

D. Emisión de Larga Duración (Discos de Acreción)

• Para reproducir la emisión UV persistente de AT 2018cow, el modelo requiere que una fracción significativa del momento angular y la masa residual (tras la formación del BH) caigan en un disco de acreción.
• Esto solo es posible bajo condiciones extremas: máxima masa de acreción y máximo momento angular transferido al disco.
• Los discos crecen rápidamente, alcanzando radios de $30-40 R_\odot$ en un día, lo cual es consistente con las observaciones.

4. Significado e Implicaciones

• Origen de los LFBOTs: El escenario de "supernova fallida" en estrellas muy masivas es una explicación plausible para al menos una subclase de LFBOTs, conectando la evidencia de colapso del núcleo con la necesidad de un motor central activo (agujero negro).
• Super-Kilonovas y Nucleosíntesis r: Existe una superposición significativa entre los progenitores de LFBOTs (BHs > 30-40 $M_\odot$) y los predichos para super-kilonovas (eventos que producen elementos pesados mediante el proceso r en discos de acreción densos).
  • Si los LFBOTs son colapsos de estrellas masivas, podrían ser una fuente no despreciable de enriquecimiento de elementos del proceso r en las galaxias.
  • La detección de un exceso en el infrarrojo cercano en eventos como AT 2018cow y AT2024wpp podría ser una firma de estos elementos, distinguible de un eco de polvo mediante espectroscopía futura (ej. JWST).
• Desafíos: El modelo enfrenta retos relacionados con la metalicidad de los entornos observados y la necesidad de explicar la alta densidad del CSM mediante mecanismos de pérdida de masa tardía no incluidos en los modelos evolutivos estándar.

Conclusión Final:
El artículo concluye que el colapso del núcleo de estrellas muy masivas (fallidas) es un candidato viable para explicar los LFBOTs, siempre que se asuma una física de colapso que permita la formación de agujeros negros masivos con suficiente material de acreción y que existan mecanismos de pérdida de masa tardía que generen el medio circumestelar denso observado. Este canal conecta directamente la astrofísica de transitorios ópticos rápidos con la formación de agujeros negros masivos y la nucleosíntesis de elementos pesados.