[論文レビュー] Fermi GBM signal contemporaneous with GW150914 - an unlikely association

Maxim Lyutikov|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、GW150914のブラックホール合体と同時に検出されたフェルミGBMの電磁気的信号が、重力波イベントと物理的に関連している可能性は極めて低いと主張している。この信号の放射線出力（約10⁴⁹ erg s⁻¹）を説明するには、ブラックホール表面に約10¹² Gの磁場が必要であり、これは天体物理学的に現実的とは言えないほど極めて大きな値である。したがって、0.22%のランダムな一致確率があるものの、物理的関連性は否定的である。

ABSTRACT

We argue that the physical constraints required by the association of the Fermi GBM signal contemporaneous with GW150914 - radiative power of $10^{49} $ erg s$^{-1}$, and corresponding magnetic fields on the black hole of the order of $10^{12}$ Gauss - are astrophysical highly implausible. Combined with the relatively high random probability of coincidence of 0.22 percents, we conclude that the electromagnetic signal is likely unrelated to the BH merger.

研究の動機と目的

• フェルミGBM信号がGW150914のブラックホール合体と物理的に関連している可能性を評価すること。
• 観測された電磁出力（約10⁴⁹ erg s⁻¹）が、ブランドフォード＝ツナジェクや外部磁場内での運動といった既知のエネルギー抽出メカニズムによって説明可能かどうかを評価すること。
• このような出力を生じさせるために必要な磁場強度と降着率が、合体中のブラックホール周囲の現実的な天体物理学的環境と整合するかどうかを特定すること。
• 高エネルギー放射を可能にするためのプラズマの可用性、磁場フラックスの保持、ジェットのコリメーションの役割を検討すること。
• 信号がランダムな一致である可能性が高いのか、それとも重力波イベントの真正の対応体であるのかを結論づけること。

提案手法

• ブランドフォード＝ツナジェク機構を用いて、ブラックホールスピンからの電磁出力を推定し、L_EM ≈ Φ²Ω²/c の式を得る。ここでΦは磁束、Ωは角速度である。
• 外部磁場内での線形運動モデルを適用し、L_EM ≈ (GM)²B₀²β²/c³ と推定する。相対論的運動ではβ ≈ 1である。
• 必要なブラックホール表面の磁場強度を B_BH ≈ c³ᐟ²√L_EM / (aGM) で計算し、L_EM ~10⁴⁹ erg s⁻¹ の場合に約3×10¹² Gが得られる。
• L_EM = ηṀc² を用いて降着率を推定し、Ṁ ≈ 5×10⁻⁵ M☉ s⁻¹（約1.5×10³ M☉ yr⁻¹）が得られる。これは、銀河間物質や連星系からの降着率と比べて著しく高い。
• 電荷誘導磁場（Q ≈ 5×10¹⁶ C）やダイナモ増幅といった代替メカニズムを評価し、極めて強い磁場が必要なため物理的に不自然であると結論づける。
• INTEGRALによる非検出と、重力波放射の非対称性に起因する、方向性が強い放射が仮に存在すれば一致確率が低下するという観測的制約を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたフェルミGBM信号（出力約10⁴⁹ erg s⁻¹）は、ブラックホール合体における既知の電磁エネルギー抽出メカニズムで物理的に説明可能か？
• RQ2 ブランドフォード＝ツナジェクまたは外部磁場内での運動によるメカニズムで、観測された出力を生じるための必要な磁場強度と降着率はどの程度か？
• RQ3 必要な磁場強度（約10¹² G）は、孤立または合体中のブラックホールに対して天体物理学的に妥当な値と一致するか？
• RQ4 信号がランダムな一致によるものである可能性は？ 0.22%の確率は物理的妥当性とどのように対比されるか？
• RQ5 電荷を帯びたブラックホールやダイナモ増幅といった代替メカニズムは、信号の説明として妥当な可能性があるか？

主な発見

• 観測された出力（約10⁴⁹ erg s⁻¹）を駆動するためのブラックホール表面の磁場強度は約3×10¹² Gであり、これは現実的な天体物理学的環境において予想される値と比べて数個のオーダーも大きい。
• そのような出力を維持するための推定降着率は約5×10⁻⁵ M☉ s⁻¹（約1.5×10³ M☉ yr⁻¹）であり、銀河間物質や連星系からの降着率と比べて著しく高い。
• ブランドフォード＝ツナジェクや外部磁場内での運動による相対論的ジェットが原因である可能性は低い。なぜなら、必要な磁場が物理的に不自然に強く、合体環境ではプラズマの閉じ込めが困難であるからである。
• 電荷を帯びたブラックホールモデルでこの磁場を生成するには約5×10¹⁶ Cの電荷が必要であり、その結果、ホライズン近くの電場は約2×10¹² statV/cmに達する。これはシュヴィンガー臨界電場の約5%に相当し、物理的に不自然である。
• 100 keV以上のエネルギー領域で有効面積がより大きなINTEGRALによる非検出結果は、真正の対応信号の可能性をさらに低下させる。
• 物理的要件が著しく不自然であり、0.22%のランダム一致確率があるにもかかわらず、著者らはフェルミGBM信号がGW150914とは関連していないと結論づけている。