[論文レビュー] Collapse of rotating stars in the Universe and the cosmic gamma ray bursts

А. И. Богомазов, V. Lipunov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 27

ひとこと要約

本稿では、長期間のガンマ線バースト（GRBs）が密な連星系における大質量Wolf-Rayet星の回転崩壊から、短期間のガンマ線バーストが中性子星（NS）またはブラックホール（BH）の合体から生じるとして提唱しており、それぞれが急速に回転するKerrブラックホールまたは中性子星と大規模な降着円盤を形成するとする。著者らはScenario Machineを用いて、銀河系におけるGRB発生頻度を推定し、NS+NSおよびNS+BHの合体、およびWR星の崩壊がGRBの前身天体として妥当であると判明した。これらの頻度は年間約10⁻⁴～10⁻⁵であり、ビームの偏向を考慮した観測されたGRB頻度と整合的である。

ABSTRACT

We analyze here late evolutionary stages of massive (with initial mass higher than 8 masses of the Sun) close binary stars. Our purposes are to study possible mechanisms of gamma ray bursts (GRBs) origin. We suppose in this paper that GRB phenomenon require formation of massive (approx. 1 M_sun) compact (approx. 10 km) accretion disks around Kerr black holes and neutron stars. Such Kerr black holes are products of collapse of Wolf-Rayet stars in extremely close binaries and merging of neutron stars with black holes and neutron stars with neutron stars in close binary systems. Required accretion disks also can be formed around neutron stars which were formed during collapse of accreting oxygen-neon white dwarfs. We have estimated frequencies of events which lead to a rotational collapse concerned with formation of rapidly rotating relativistic objects in the Galaxy. We made our calculations using the "Scenario Machine".

研究の動機と目的

• 長期間および短期間のガンマ線バースト（GRBs）の背後にある天体物理学的メカニズムを、大質量連星系の進化の文脈で調査すること。
• 密な連星系におけるWolf-Rayet星の回転崩壊およびコンパクト天体の合体が、GRB形成に必要な条件を満たすかどうかを特定すること。
• 詳細な連星進化モデルを用いて、これらのGRB前身天体の銀河系内発生頻度を推定すること。
• 軌道周期、質量比、共通エンvelope効率、およびキック速度といった主要パラメータがGRB発生頻度に与える影響を評価すること。

提案手法

• 著者らは、大質量で近接した連星系の進化をシミュレートするために「Scenario Machine」を用いた。特にWolf-Rayet星とコンパクト天体連星に注目した。
• 大質量星（M₀ ≥ 8M☉）の回転崩壊をモデル化し、Kerrブラックホールまたは中性子星と大規模な降着円盤が形成されると仮定した。
• 短期間GRBsの観点から、重力波駆動による近接合体を経てNS+NSおよびNS+BHの合体を評価し、パラメータ化された効率（α_CE）を用いた共通エンベロープ進化を組み込んだ。
• 異なる星風モデル（A, C）および質量比分布（α_q）を用いて、合体および崩壊頻度に与える影響を評価した。
• コンパクト天体の残骸にキック速度（v₀）を導入し、観測されたGRBのビーム効果と発生頻度との整合性を検証した。
• 発生頻度を銀河系の星の集団全体にわたって統合して推定し、ビーム効果（θ ~ 0.1 sr）を考慮した観測されたGRB頻度と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密な連星系におけるWolf-Rayet星の回転崩壊から生じる長期間GRBの予測銀河系頻度はどの程度か？
• RQ2 近接した連星系におけるNS+NSおよびNS+BHの合体から予想される短期間GRBの頻度はどの程度か？
• RQ3 共通エンベロープ効率（α_CE）、質量比（α_q）、および臨界軌道周期（P_crit）の変動が、予測されるGRB前身天体頻度に与える影響は何か？
• RQ4 中性子星のキック速度（v₀）が、合体頻度が観測されたGRB頻度と整合的であるかどうかに与える影響はどの程度か？
• RQ5 提案されたGRB前身天体シナリオによって、観測された等方的放射度および放射度関数を説明できるか？

主な発見

• P_crit = 1日およびα_q = 2、α_CE = 0.5の場合、密な連星系におけるWolf-Rayet星の回転崩壊による長期間GRB前身天体の推定頻度は約3.2×10⁻⁶ yr⁻¹である。
• 標準パラメータ（星風モデルA、α_q = 0、v₀ = 50 km/s）下でのNS+NS合体頻度は約7.3×10⁻⁵ yr⁻¹であり、α_q = 2に増加すると約4×10⁻⁴ yr⁻¹に上昇する。
• 標準条件におけるNS+BH合体頻度は約6.5×10⁻⁵ yr⁻¹であるが、キック速度が高くなると著しく低下し（例：v₀ = 300 km/sで約9.8×10⁻⁶ yr⁻¹）、顕著に減少する。
• 酸化マグネシウム白色矮星の合体頻度は顕著に高い（ONe+COで約1.1×10⁻³ yr⁻¹）が、AICが発生しない限り主なGRB源とは見なされない。
• GRB前身モデルが有効であるためには、100 km/sを超えるキック速度は除外されなければならない。なぜなら、それらは観測されたGRB頻度を下回る観測可能な合体頻度を低下させるからである。
• 臨界軌道周期が≤0.5日であれば、すべてのWR星崩壊シナリオでモデル上、GRB発生はゼロとなる。これは、P_crit ≈ 1–3日が有効な長期間GRB生成に不可欠であることを示している。