Comparative Study of Two Luminous Red Novae I. Progenitor Modeling and Dust Formation

Technische Samenvatting: Vergelijkende Studie van Twee Luminous Red Novae (I. Progenitor-modellering en Stofvorming)

Probleemstelling
Luminous Red Novae (LRN'en) zijn astrofysische transiënten die geassocieerd worden met onstabiele massaoverdracht in binaire systemen, wat vaak leidt tot common-envelope (CE) evolutie en stellaire fusies. Hoewel deze gebeurtenissen gelinkt zijn aan de vorming van compacte binaire systemen en gravitatiegolfbronnen, blijven de fysische eigenschappen van hun progenitor en de massabudgetten van hun ejecta slecht geconstreerd. Eerdere studies hebben de precursor-, uitbarsting- en restantfasen vaak geïsoleerd behandeld of vertraken op enkelvoudige ster-modellen vertrouwd. Een verenigde analyse die binaire progenitor-eigenschappen verbindt met de geobserveerde transiënt en het restant, terwijl massatransfer-instabiliteitscriteria expliciet worden geïncorporeerd, ontbrak tot nu toe. Deze studie richt zich op de specifieke gevallen van AT2021biy en AT2021blu, met als doel hun binaire progenitor-massa's en orbitale parameters te beperken, de massa van het uitgestoten gas te schatten en de stofmassa gevormd in de restantfase af te leiden.

Methodologie
De auteurs hanteerden een veelzijdige aanpak waarbij sterlijke evolutie-modellering, energie-budgetformalisme, lichtcurve-analyse en infrarood stofmodellering werden gecombineerd:

1. Progenitor-modellering (MESA): Er werden twee grids van binaire stellaire evolutie-tracks gegenereerd met behulp van de MESA-code (v11554). De modellen werden geconstreerd door pre-uitbarsting fotometrie van de Hubble Space Telescope (AT2021biy) en grondgebonden/ZTF/Pan-STARRS data (AT2021blu). De studie paste expliciet massaoverdracht-instabiliteitscriteria toe (Quasi-Adiabatisch, Outer Lobe Overflow en Dynamisch) om progenitors te selecteren die in staat zijn te fuseren op tijdschalen die consistent zijn met archiefgegevens. De modellen gingen uit van volledig niet-conservatieve massaoverdracht, waarbij de helft van de massa verloren gaat via isotrope heremissie en de andere helft via een circumbinaire toroid.
2. Energie-budgetschatting: Op basis van de MESA-modellen schatten de auteurs de envelopmassa die werd uitgestoten tijdens de CE-fase. Ze berekenden zowel de onder- als bovengrenzen door de vrijgekomen orbitale energie tijdens de inspiral (van het begin van de Outer Lotaverflow tot de fusie van de begeleider met de heliumkern van de donor) te vergelijken met de bindingsenergie van de envelop en de bulk kinetische energie van de ejecta.
3. Lichtcurve-vergelijking: De energie-budgetschattingen werden vergeleken met voorspellingen van diverse analytische en semi-analytische lichtcurve-modellen (bijv. Kasen & Woosley, Matsumoto & Metzger) om consistentie te beoordelen over verschillende fysische aannames (recombinatie, schokinteractie).
4. Afleiding van Stofmassa: Mid-infrarood (NEOWISE) en Spitzer-data werden gemodelleerd met de radiatieve transfercode dusty (via pydusty) om stofmassa's en temperaturen af te leiden tot ongeveer 3 jaar na de uitbarsting. Dit leverde een onafhankelijke ondergrens voor de totale ejectamassa.

Belangrijkste Resultaten

• Progenitor-beperkingen: De studie beperkte de donor-massa's tot $M_d = 18 - 23 M_\odot$ voor AT2021biy en $M_d = 14 \pm 0.5 M_\odot$ voor AT2021blu. De levensvatbare progenitors bleken hoge massaverhoudingen te hebben ($q \gtrsim 3$ voor AT2021biy; $q \gtrsim 10$ voor AT2021blu) en initiële orbitale separaties van respectievelijk $300-700 R_\odot$ en $200-300 R_\odot$.
• Ejecta Massa-schattingen:
  • Energie-budget: De ondergrens-schattingen voor de uitgestoten envelopmassa variëren van $0.03 - 2.98 M_\odot$ (AT2021biy) en $0.02 - 0.14 M_\odot$ (AT2021blu). De bovengrenzen lopen van $1.72 - 7.82 M_\odot$ en $1.8 - 3.8 M_\odot$, respectievelijk.
  • Consistentie: Vergelijking met lichtcurve-modellen toonde de hoogste mate van consistentie binnen het intermediaire massaverhoudingsregime ($3 \lesssim q \lesssim 10$ voor AT2021biy en $5 < q \lesssim 15$ voor AT2021blu).
• Stofvorming: De gemeten stofmassa's zijn 1–5 ordes van grootte lager dan de geschatte uitgestoten envelopmassa's, wat aangeeft dat slechts een klein fractie van het uitgestoten gas condenseert tot stof. De evolutie van de stofmassa is consistent met schokgedreven interacties met pre-existent circumstellaire materie (CSM), wat de MESA-voorspelling van significante pre-uitbarsting massaverlies ondersteunt.
• Gevoeligheid: De afgeleide ejectamassa's zijn zeer gevoelig voor de aangenomen ejectasnelheid. De auteurs merken op dat het adopteren van een snelheid-gestratificeerd profiel (waarbij de binnenste lagen langzamer bewegen dan de buitenste lagen) de bulk kinetische energie vermindert, wat de ondergrens van de massa-schattingen met een factor tot twee kan verhogen vergeleken met aannames van een enkele snelheid.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt de eerste verenigde studie te presenteren die de binaire progenitor, de uitbarsting en het restant van LRN'en verbindt, terwijl het expliciet massaoverdracht-instabiliteitscriteria in de modellering heeft opgenomen. Door de parameterruimte te verkleinen via instabiliteitsbeperkingen (specifiek de Outer Lobe Overflow-criterium), bieden de auteurs striktere beperkingen op progenitor-massa's en massaverhoudingen dan voorheen in single-star of populatiesynthese-studies.

De studie benadrukt dat de "vertraagde dynamische instabiliteit" waargenomen bij massieve donoren (waarbij massaoverdracht ongecontroleerd verloopt na een periode van quasi-stabiele overflow) consistent is met de detectie van traag bewegend gas in de nabijheid van deze gebeurtenissen. Bovendien versterkt het discrepantie tussen de grote uitgestoten gasmassa's en de relatief kleine stofmassa's het beeld dat LRN'en inefficiënte stoffabrieken zijn, waarbij het geobserveerde stof waarschijnlijk vormt in pre-existente CSM in plaats van in de bulk van de merger-ejecta.

De auteurs erkennen beperkingen, waaronder de aanname van sferische symmetrie in MESA, de puntmassa-benadering voor de begeleider, en de aanname van een perfecte energieconversie-efficiëntie ($\alpha_{CE}=1$). Zij stellen dat hun schattingen dienen als indicatieve waarden voor het ideale geval en dat toekomstig werk, dat 3D hydrodynamische simulaties en zelfconsistente evolutie van de begeleider incorporeert, noodzakelijk zal zijn om deze massa-schattingen te verfijnen.