Compact Objects Merging with Stars as an Origin of Ultra-Long Gamma-Ray Bursts and Luminous Fast Blue Optical Transients

技术摘要：致密天体与恒星合并作为超长伽马射线暴与发光快速蓝色光学暂现物的起源

问题陈述
超长伽马射线暴（ULGRBs），其定义为爆发持续时间 $T_{90} \gtrsim 1$ 小时，以及发光快速蓝色光学暂现物（LFBOTs）是两种罕见的引擎驱动型暂现物。虽然这两类现象都被假设源于大质量氦核（或沃尔夫-雷耶特星）与致密天体的合并（He-CO 合并），但其物理联系尚未得到证实。He-CO 合并情景假定在旋进过程中，轨道角动量会使氦核旋转加速，从而导致合并后由向致密天体（黑洞或中子星）吸积驱动的中心引擎。GRB 的持续时间由吸积时间尺度决定，而高轨道角动量可以延长该时间尺度。然而，目前尚不清楚 ULGRBs 和 LFBOTs 是否共享一个共同的祖星通道，或者它们是否代表了不同的演化结果。本研究通过在最近开发的解析 LFBOT 模型框架内重新分析原型 ULGRB GRB 111209A/SN 2011kl 的光学对应体，并对比 ULGRBs、LFBOTs 和经典长伽马射线暴（LGRBs）的宿主星系环境，来调查这种潜在的联系。

方法论
作者采用了一种结合光变曲线建模与宿主星系群体分析的多维度方法：

1. 光变曲线建模：

   • 数据： 研究汇集了 GRB 111209A/SN 2011kl 的存档紫外、光学和近红外（NIR）测光数据，以及包含 AT 2018cow、AT 2024aehp 在内的 13 个 LFBOT 的比较样本。
   • 模型： 作者使用了 Metzger (2022) 提出的解析玩具模型，该模型将 LFBOTs 描述为由于沃尔夫-雷耶特（WR）星对致密伴星的潮汐瓦解和超吸积而产生。该模型考虑了两个主要的辐射源：(1) 被瓦解的 WR 材料与预先存在的星周介质（CSM）之间的冲击相互作用；(2) 来自吸积引擎或喷流的再处理辐射。
   • 参数： 拟合过程改变了包括 WR 星质量 ($M_*$)、前运行包层/CSM 质量 ($M_{pre}$)、抛射速度 ($v_{slow}, v_{fast}$)、质量损失发生的轨道数 ($N_{orbit}$) 以及紫外抑制参数 ($\gamma_{UV}$) 在内的参数。
   • 余辉分离： 对于 SN 2011kl，同时拟合了一个标准的同步辐射余辉组分，以将热暂现物辐射与非热余辉分离，从而解决关于是否存在喷流断裂（jet break）的有争议的文献观点。
   • 推断： 使用 emcee 包进行马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）推断，以导出模型参数的后验分布。

2. 宿主星系分析：

   • 样本： 研究分析了五个 ULGRBs（GRB 101225A, 111209A, 121027A, 130925A, 和 250702B）的宿主星系。
   • 建模： 使用带有延迟-$\tau$ 星形成历史（SFH）的 Prospector 代码推导了恒星群体属性（恒星质量 $M_*$、恒星形成率 SFR、比恒星形成率 sSFR、金属丰度）。
   • 对比： 将推导出的属性与来自 Nugent 等人 (2026) 的 11 个 LFBOT 宿主星系进行对比。为了考虑红移演化，将暂现物宿主星系与特定红移区间内的场星系群体（COSMOS2015 和 3D-HST）进行了对比。

关键结果

• SN 2011kl 与 LFBOT 群体：

  • LFBOT 模型能够很好地拟合 SN 2011kl 的紫外-光学-近红外光变曲线，证实其表现出符合 LFBOT 起源的快速、高亮度且蓝色的早期发射。
  • 特征差异： 与更广泛的 LFBOT 群体相比，SN 2011kl 显示出显著较长的发射“平台期”，持续时间约为合并后 $\sim 20$ 天。在模型中，这归因于更大的质量损失轨道数 ($N_{orbit} \simeq 80$) 或更大的赤道质量库 ($M_{pre}$)，表明存在更长的合并前质量损失历史。
  • 紫外抑制： SN 2011kl 在波长 $\lambda \lesssim 3000$ Å 处表现出强烈的紫外抑制 ($\gamma_{UV} \simeq 8$)，这一特征比典型的 LFBOT（通常是紫外明亮的）要强得多，但与其观测光谱一致。
  • 祖星质量： 推断的合并时 WR 星质量为 $M_* \simeq 11 M_\odot$，低于典型的 LFBOT 群体（$\sim 20 M_\odot$）。这种低质量结合长 $N_{orbit}$，表明其祖星系统可能被深度剥离了其氦包层，或者涉及一颗能够维持长寿命吸积盘的低质量恒星。

• 宿主星系环境：

  • 与 LFBOT 和 LGRB 宿主类似，ULGRB 宿主被发现位于质量较低（$M_* < 10^{10} M_\odot$）且具有较高比恒星形成率（sSFR）的星系中（相对于相同红移下的场星系群体）。
  • ULGRB、LFBOT 和 LGRB 的宿主星系均聚集在恒星形成主序列（SFMS）之上，表明它们与活跃的恒星形成和年轻、大质量的祖星有很强的联系。
  • 对于有两个具有可用数据的 ULGRB（GRB 111209A 和 130925A）进行的金属丰度测量，其数值落在观测到的 LFBOT 范围内 ($12 + \log(\text{O/H}) \approx 8.59$)，尽管样本量较小且存在红移差异，无法得出确定性的结论。

意义与主张
论文声称这些结果支持一个共同的祖星通道——至少对于一部分 ULGRBs 和 LFBOTs 而言——即致密天体与大质量氦核的合并。

• 统一起源： SN 2011kl 与 LFBOT 模型的一致性（尽管它具有独特的平台期和紫外抑制），表明 ULGRBs 可能是 LFBOTs 的在轴（on-axis）、高亮度对应体，其中观测到的暂现物属性由视角以及特定的合并参数（如包层剥离程度和角动量）决定。
• 环境一致性： ULGRBs、LFBOTs 和 LGRBs 宿主星系属性之间缺乏区别，意味着这些暂现物很可能起源于涉及低质量、高恒星形成率环境中的年轻、大质量恒星的相似恒星演化通道。
• 局限性： 作者对这些主张的强度保持谨慎，指出目前的 ULGRB 样本量过小，无法仅凭宿主性质就确定性地验证共同起源。他们强调，未来需要更大、更无偏的样本研究来确定这些群体是否占据一个共同的引擎驱动型暂现物连续谱。

未来预测
基于共同祖星假说，作者提出了几项观测预测：

• 未来的 ULGRBs 应表现出类 LFBOT 的光学对应体，可能随后出现明亮、类平台期的发射。
• 一部分 LFBOTs 应该拥有成功的、离轴的喷流，可通过长期射电后续观测检测到。
• 与经典 GRB-SNe 相比，ULGRBs 产生的 $^{56}\text{Ni}$ 应该极少，这可以通过晚期星云谱线进行测试。
• 中红外观测可能会揭示来自扩展星周介质（CSM）的尘埃回响，类似于针对 AT 2018cow 所提出的理论。