Advanced

Constraining double neutron star binary evolution from the spatial distribution of short gamma-ray bursts

Andersson, Oscar LU (2019) In Lund Observatory Examensarbeten ASTK02 20191
Lund Observatory
Abstract
Short gamma-ray bursts are often observed at large spatial offsets from their host galaxies. Neutron star mergers in double neutron star binaries have also recently been confirmed as a progenitor of short gamma-ray bursts (Abbott et al. 2017). We attempt to constrain uncertainties in the evolution of burst-producing neutron star binaries by generating a distribution of burst offsets from the neutron star natal kick, and then compare to a population of observed offsets in spiral galaxies. In order to do so, we model the dynamical effects of the formation of the second neutron star in a double neutron star binary. We find the resulting binary velocity and the time it takes for the binary to merge. Using the velocity and lifetime, we then... (More)
Short gamma-ray bursts are often observed at large spatial offsets from their host galaxies. Neutron star mergers in double neutron star binaries have also recently been confirmed as a progenitor of short gamma-ray bursts (Abbott et al. 2017). We attempt to constrain uncertainties in the evolution of burst-producing neutron star binaries by generating a distribution of burst offsets from the neutron star natal kick, and then compare to a population of observed offsets in spiral galaxies. In order to do so, we model the dynamical effects of the formation of the second neutron star in a double neutron star binary. We find the resulting binary velocity and the time it takes for the binary to merge. Using the velocity and lifetime, we then integrate the trajectories of the binaries within the environment of a spiral galaxy until they merge. It is found that binaries need to be separated by less than 20 solar radii before the supernova to produce a burst within Hubble time. No constraints were found on exploding star mass or kick strength. We also find that kick strengths much weaker (rms≈50 km/s) than kicks derived from isolated pulsars (rms≈500 km/s) could potentially produce all offsets in the probed population of observed binaries. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Bland de mest kraftfulla händelser som människor har observerat är gammablixtar. Blixtarna är korta utbrott av gammastråalning som ibland dyker upp i rymden. Forskare har länge misstänkt att kollisioner mellan neutronstjärnor ligger bakom en kategori av blixtar, de korta gammablixtarna. För några år sedan bekräftades forskarnas misstankar. De kunde då, med det nya LIGO-observatoriet, observera gravitationsvågor från en kollision mellan neutronstjärnor samtidigt som de också såg en gammablixt från samma del av himlen.

Neutronstjärnor är en exotisk typ av stjärnor som föds i explosiva supernovor när massiva stjärnor dör. De är också de mest kompakta föremålen i universum. Medan de har en diameter på endast några enstaka mil, är de mer... (More)
Bland de mest kraftfulla händelser som människor har observerat är gammablixtar. Blixtarna är korta utbrott av gammastråalning som ibland dyker upp i rymden. Forskare har länge misstänkt att kollisioner mellan neutronstjärnor ligger bakom en kategori av blixtar, de korta gammablixtarna. För några år sedan bekräftades forskarnas misstankar. De kunde då, med det nya LIGO-observatoriet, observera gravitationsvågor från en kollision mellan neutronstjärnor samtidigt som de också såg en gammablixt från samma del av himlen.

Neutronstjärnor är en exotisk typ av stjärnor som föds i explosiva supernovor när massiva stjärnor dör. De är också de mest kompakta föremålen i universum. Medan de har en diameter på endast några enstaka mil, är de mer massiva än solen - en matsked av en neutronstjärna väger mer än 1000 ton.

Att två neutronstjärnor skulle slumpmässigt kollidera händer inte - det är inte ens astronomiskt osannolikt. Rymden är helt enkelt för stor: forskare förväntar inte att det kommer ske någon kollision mellan stjärnor när vår Vintergata kolliderar med Andromedagalaxen om några miljarder år. För att en kollision mellan neutronstjärnor ska ske, måste de vara bundna till varandra i ett binärsystem, precis som jorden är bunden till solen.

Det är inte enkelt för två stycken neutronstjärnor att hamna i en binär. De genomgår flera komplicerade stadier, samtidigt som de måste överleva båda de två supernovor som de föds i. Från dessa explosioner får binären en spark, vilket gör att de färdas upp till flera tiotusentals ljusår från platsen de föds - vilket stämmer överens med de gammablixtar vi har observerat.

Vi kan göra modeller av hur binären påverkas av supernova-explosioner, och hur den sen färdas genom rymden. Vi kan då förutsäga var neutronstjärnorna kommer kollidera och jämföra med var vi ser korta gammablixtar. Genom att göra detta kan vi bättre förstå de komplicerade stadierna som pågår i binären, och även supernovorna som neutronstjärnor föds i. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Andersson, Oscar LU
supervisor
organization
course
ASTK02 20191
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
publication/series
Lund Observatory Examensarbeten
report number
2019-EXA154
language
English
id
8985493
date added to LUP
2019-08-06 09:01:43
date last changed
2019-08-06 09:01:43
@misc{8985493,
  abstract     = {Short gamma-ray bursts are often observed at large spatial offsets from their host galaxies. Neutron star mergers in double neutron star binaries have also recently been confirmed as a progenitor of short gamma-ray bursts (Abbott et al. 2017). We attempt to constrain uncertainties in the evolution of burst-producing neutron star binaries by generating a distribution of burst offsets from the neutron star natal kick, and then compare to a population of observed offsets in spiral galaxies. In order to do so, we model the dynamical effects of the formation of the second neutron star in a double neutron star binary. We find the resulting binary velocity and the time it takes for the binary to merge. Using the velocity and lifetime, we then integrate the trajectories of the binaries within the environment of a spiral galaxy until they merge. It is found that binaries need to be separated by less than 20 solar radii before the supernova to produce a burst within Hubble time. No constraints were found on exploding star mass or kick strength. We also find that kick strengths much weaker (rms≈50 km/s) than kicks derived from isolated pulsars (rms≈500 km/s) could potentially produce all offsets in the probed population of observed binaries.},
  author       = {Andersson, Oscar},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Lund Observatory Examensarbeten},
  title        = {Constraining double neutron star binary evolution from the spatial distribution of short gamma-ray bursts},
  year         = {2019},
}