[論文レビュー] A Possible Model for the Supernova/Gamma-Ray Burst Connection

X. Y. Wang, Zi-Gao Dai+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、超新星（SNe）とガンマ線バースト（GRBs）を、超新星爆発の数日後に質量が大きく、高速で回転する中性子星が strange star に変換されることで結びつけるモデルを提案する。この変換によって生じる超相対論的フレアボールは、低バリオン数汚染によって加速され、SNジェット軸に沿ってGRBと後光を発生させる。一方、顕著なエネルギー放出は、SN1998bwのような明るい超新星を駆動することも可能である。

ABSTRACT

Conversion from neutron stars to strange stars as a possible mechanism of cosmological gamma-ray bursts (GRBs) has been discussed in previous works, although the existence of strange stars is still an open question. On the basis of this mechanism, we here outline an explanation of the connection between supernovae (SNe) and GRBs, which has got increasing evidence recently. An asymmetric but normal SN explosion leaves a massive ($\geq1.8{ m M_\odot}$) and rapidly rotating neutron star, which then converts to a strange star few days later, due to its rapid spindown. The accompanied fireball, which can be accelerated to ultra-relativistic velocity ($Γ_0\sim 100$) due to the very low baryon contamination of the strange star, flows out along the direction of the high-velocity SN jet and subsequently produces a GRB and the following low energy afterglows by interacting with the surrounding stellar wind. We will also expect a very luminous supernova like SN1998bw, if a large fraction of the conversion energy finally turns into the kinetic energy of the supernova ejecta.

研究の動機と目的

• 長期間にわたるガンマ線バースト（GRBs）と核崩壊超新星（例：SN1998bw）の観測的関係を説明すること。
• 質量が大きく、高速で回転する中性子星が超新星爆発後にGRBを引き起こすメカニズムを解明すること。
• strange star の形成が、超相対論的噴流とその後のGRB放射を駆動する役割を調査すること。
• エネルギーの転送によってGRB関連イベントで観測された明るい超新星成分を説明すること。

提案手法

• 非対称な超新星爆発によって形成された質量が 1.8 M☉ 以上の巨大中性子星が、数日以内にスピンダウン駆動による strange star への変換を受けると仮定する。
• 変換過程を、極めて低いバリオン数汚染による超相対論的フレアボール放射源としてモデル化する。
• フレアボールがSNジェット軸に集光され、周囲の星風と相互作用することでGRBが生成されると仮定する。
• 相対論的流体力学を用いて、フレアボールがローレンツ因子 Γ₀ ~ 100 に加速されることを記述する。
• strange star 形成に伴うエネルギーを超新星の噴出物に転送することで、明るいSNeを説明する。
• SN1998bwからの観測的制約を用いて、光度と時系列に関するモデルの予測を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超新星爆発が、その後の星の変容を通じてどのようにガンマ線バーストを引き起こすのか？
• RQ2 中性子星から strange star への遷移によって、どのようにローレンツ因子 Γ₀ ~ 100 の超相対論的フレアボールが形成されるのか？
• RQ3 なぜ一部のGRBsは明るい超新星と関連しているのか？エネルギーはどのように噴出物に転送されるのか？
• RQ4 このモデルにおいて、低バリオン数汚染が相対論的噴流の生成をどのように可能にするのか？
• RQ5 観測された後光の光度曲線は、フレアボールと事前に存在する星風との相互作用によって説明可能か？

主な発見

• 中性子星から strange star への変換は、超新星爆発の数日後に発生し、GRBの遅延的トリガーを提供する。
• 極めて低いバリオン数汚染のおかげで、得られるフレアボールは約100のローレンツ因子に達する。
• GRBと後光は、相対論的噴流が周囲の星風と相互作用することによって生成される。
• 変換エネルギーの顕著な割合が、超新星の噴出物の運動エネルギーに向けられるため、SN1998bwのような明るい超新星が説明できる。
• 共通の前身星メカニズムを通じて、長期間GRBsとタイプIc超新星の観測的関係が自然に説明される。
• モデルは、GRBの後光と関連する超新星の観測された時系列とエネルギー的性質と整合的である。