Neutron star-companion interaction in core collapse supernovae. Population synthesis based on detailed binary evolution models

तकनीकी सारांश: कोर-कोलैप्स सुपरनोवा में न्यूट्रॉन स्टार-साथी अंतःक्रिया (Neutron Star-Companion Interaction)

समस्या विवरण
हाल के कोर-कोलैप्स सुपरनोवा (CCSNe) के अवलोकनों, विशेष रूप से टाइप Ic घटना SN2022jli ने, ऑप्टिकल फ्लक्स, H$\alpha$ लाइन वेलोसिटी और $\gamma$-रे उत्सर्जन में आवधिक मॉडुलन (periodic modulations) को प्रकट किया है। यह परिकल्पना की गई है कि ये विशेषताएं प्रारंभिक सुपरनोवा प्रभाव के कारण साथी तारे के फूलने (inflation) के बाद, एक नव-निर्मित कॉम्पैक्ट ऑब्जेक्ट (न्यूट्रॉन स्टार, NS) और उसके गैर-अपघटित (non-degenerate) तारकीय साथी के बीच होने वाली अंतःक्रिया से उत्पन्न होती हैं। जबकि इस विशिष्ट भौतिक तंत्र को—जिसे कॉम्पैक्ट-ऑब्जेक्ट-कंपैनियन इंटरैक्शन (CCI) कहा गया है—विशिष्ट घटनाओं की व्याख्या करने के लिए प्रस्तावित किया गया है, व्यापक जनसंख्या में ऐसी घटनाओं की उपस्थिति दर, पैरामीटर स्पेस और सामान्य दृश्यता अभी भी अनिश्चित है। जीवित बचे साथियों का प्रत्यक्ष पता लगाना दुर्लभ है, जिसके लिए इन अंतःक्रिया करने वाले तंत्रों की आवृत्ति और गुणों की भविष्यवाणी करने के लिए एक सांख्यिकीय दृष्टिकोण की आवश्यकता है।

कार्यप्रणाली
लेखक SN-ORACLE नामक जनसंख्या संश्लेषण कोड (population synthesis code) का उपयोग करते हैं, जो गैलेक्टिक मेटालिसिटी पर MESA द्वारा उत्पन्न विस्तृत बाइनरी तारकीय विकास मॉडल के एक व्यापक ग्रिड पर आधारित है। अध्ययन विस्फोट के बाद के विकास को मॉडल करने के लिए तीन विशिष्ट भौतिक अनुमानों (prescriptions) को एकीकृत करता है:

1. नेटल किक्स (Natal Kicks): कोड जन्मजात किक के परिमाण और दिशाओं की अनिश्चितताओं को ध्यान में रखते हुए, जिसमें आइसोट्रोपिक और पोलर-अलाइन परिदृश्य शामिल हैं, नए जन्मे NS को तीन अलग-अलग प्रायिकता वितरणों (DM25, K18, और V25) का उपयोग करके नेटल किक आवंटित करता है।
2. एजेक्टा-कंपैनियन इंटरैक्शन (ECI): हाइड्रोडायनामिक सिमुलेशन (Ogata et al. 2021; Hirai et al. 2018) से प्राप्त विश्लेषणात्मक अनुमानों का उपयोग करते हुए, मॉडल साथी द्वारा अवशोषित सुपरनोवा गतिज ऊर्जा (kinetic energy) के अंश की गणना करता है। यह ऊर्जा साथी के आवरण के रेडियल विस्तार को एक अधिकतम त्रिज्या ($R_{max}$) और चमक ($L_{max}$) तक संचालित करती है, जो एक अवधि ($\tau_{infl}$) तक चलती है।
3. कॉम्पैक्ट-ऑब्जेक्ट-कंपैनियन इंटरैक्शन (CCI): मॉडल यह निर्धारित करता है कि क्या नव-निर्मित NS, साथी के शॉक-इन्फ्लेटेड आवरण (envelope) में प्रवेश करता है। CCI को तब घटित माना जाता है जब विस्फोट-पश्चात पेरिएस्ट्रॉन दूरी ($r_{peri}$) इस प्रकार होती है कि $R_{2} < r_{peri} \leq R_{max}$, जहाँ $R_2$ विस्फोट-पूर्व त्रिज्या है। अंतःक्रियाओं की संख्या ($N_{inter}$) को कक्षीय अवधि और इन्फ्लेशन टाइमस्केल के आधार पर गणना की जाती है।

अध्ययन विभिन्न नेटल किक अनुमानों, एक्सप्लोडेबिलिटी क्राइटेरिया (जो NS बनाम ब्लैक होल निर्माण को निर्धारित करते हैं), और रोश-लोब ओवरफ्लो (RLOF) के दौरान विलय के मानदंडों को बदलते हुए जनसंख्या मॉडल के ग्रिड का अन्वेषण करता है।

मुख्य योगदान और परिणाम

• उपस्थिति दर (Occurrence Rates): अध्ययन भविष्यवाणी करता है कि आवधिक CCI, हाइड्रोजन-रहित (H-poor) सुपरनोवा (Type Ibc और Ibn) में एक महत्वपूर्ण घटना है। संदर्भ मॉडल में, लगभग 15.6% सभी H-poor सुपरनोवा आवधिक CCI ($N_{inter} \geq 2$) प्रदर्शित करते हैं। यह दर मॉडल धारणाओं के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है, जो कि किक वितरण और विलय मानदंडों के आधार पर विभिन्न जनसंख्या मॉडलों में 3% से 27% तक भिन्न होती है। इसके विपरीत, गैर-अपघटित साथियों वाले विस्तृत बाइनरी के विघटन के कारण, हाइड्रोजन-समृद्ध सुपरनोवा में CCI अत्यंत दुर्लभ ($\sim 0.01\%$) है।
• कक्षीय और सामयिक गुण (Orbital and Temporal Properties): आवधिक CCI से गुजरने वाले तंत्रों में विस्फोट-पश्चात कक्षीय अवधि ($P_{post-SN}$) आमतौर पर 20 और 50 दिनों के बीच चरम पर होती है, जिसका एक विस्तृत दायरा 9.8–226 दिन है। विस्फोट-पश्चात कक्षीय उत्केंद्रता ($e_{post-SN}$) आम तौर पर 0.4 के आसपास चरम पर होती है, हालांकि एक द्वैत (dichotomy) मौजूद है जहाँ कम-उत्केंद्रता वाले तंत्र मुख्य रूप से Case BB RLOF से गुजरने वाले पूर्वजों से उत्पन्न होते हैं। अंतःक्रिया की अवधि ($\tau_{infl}$) 0.5 से 10 वर्ष तक फैली हुई है, और अंतःक्रियाओं की संख्या ($N_{inter}$) एकल घटनाओं से लेकर 50 से अधिक चक्रों तक भिन्न होती है।
• साथी की विशेषताएं (Companion Characteristics): ECI-प्रेरित इन्फ्लेशन साथी की चमक को 3 से 100 गुना तक बढ़ा देता है, जो $L_{max} \approx (2.4 - 29.5) \times 10^{38}$ erg s$^{-1}$ ($\log L/L_{\odot} \approx 4.8 - 5.9$) तक पहुँच जाता है। लगभग 7% H-poor सुपरनोवा जिनमें आवकालिक CCI होता है, हम्फ्रीज़ और डेविडसन सीमा से अधिक के साथी छोड़ते हैं, जो अल्प अवधि के लिए ल्यूमिनस ब्लू वेरिएबल (LBV) के रूप में दिखाई देते हैं। साथी का द्रव्यमान आमतौर पर 5 से 30 $M_{\odot}$ के बीच होता है।
• अवलोकित घटनाओं का पुनरुत्पादन:
  • SN2022jli: मॉडल 12.4-दिवसीय मॉडुलन अवधि को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित करते हैं। सर्वोत्तम-फिटिंग मॉडल $\sim 10$ वर्षों तक लगभग 21–23 की साथी J-बैंड मैग्नीट्यूड की भविष्यवाणी करते हैं, जिससे पता चलता है कि साथी वर्तमान उपकरणों जैसे VLT/HAWK-I के साथ पता लगाने योग्य होना चाहिए।
  • SN2015ap: मॉडल $\sim 8.4$-दिवसीय अवधि और टाइप Ib वर्गीकरण के अनुरूप लगभग 70 बाइनरी इवोल्यूशन ट्रैक्स की पहचान करते हैं।
  • SN2022esa: मॉडल $\sim 29-35$ दिन की अवधि के अनुरूप सिस्टम उत्पन्न करते हैं, हालांकि H$\alpha$ परिवर्तनशीलता की कमी यह सुझाव देती है कि वैकल्पिक शक्ति स्रोत (power sources) काम कर रहे हो सकते हैं।

महत्व और निष्कर्ष
यह शोध पत्र स्थापित करता है कि आवधिक CCI एक सैद्धांतिक रूप से सुदृढ़ और संभावित रूप से H-poor कोर-कोलैप्स सुपरनोवा की एक सामान्य विशेषता है, जो कुछ विकासवादी धारणाओं के तहत ऐसे घटनाओं के एक चौथाई तक घटित होती है। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि वर्तमान कैटलॉग में पहचाने गए आवधिक CCI उम्मीदवारों की कमी संभवतः भौतिक दुर्लभता के बजाय अवलोकन संबंधी सीमाओं को दर्शाती है।

अध्ययन जीवित बचे साथियों की विस्फोट-पश्चात दृश्यता के लिए विशिष्ट भविष्यवाणियाँ प्रदान करता है, यह नोट करते हुए कि ECI इन्फ्लेशन उनकी चमक को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, जिससे वे विस्फोट के कई वर्षों बाद तक पता लगाने योग्य हो जाते हैं। लेखक सुझाव देते हैं कि आर्काइवल सुपरनोवा लाइट कर्व्स के व्यवस्थित पुन: विश्लेषण के लिए, उच्च-कैडेंस टाइम-डोमेन सर्वेक्षणों (जैसे ZTF, LSST) के साथ मिलकर, आवधिक CCI घटनाओं की अनुमानित जनसंख्या को उजागर करना आवश्यक है। ये निष्कर्ष प्रकाश वक्र के उतार-चढ़ाव (light curve undulations) के सांख्यिकीय विश्लेषण के माध्यम से बाइनरी इवोल्यूशन मापदंडों, नेटल किक वितरण और सुपरनोवा विस्फोट के भौतिकी को सीमित करने का एक मार्ग प्रदान करते हैं।