[論文レビュー] Gamma-ray bursts and density evolution of neutron star binary mergers

Philippe Bagot, Simon Portegies Zwart+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、パopulation合成と星形成歴を用いて中性子星連星の宇宙的合体率密度をモデル化し、z < 2 において n_c(z) ∝ (1+z)^{1.5–2} となることを示した。これは、ガンマ線バースト（GRB）の前身星の赤方偏移の進化と一致する。低赤方偏移の明るいGRBはおそらくスパイラル銀河に起因し、暗く高赤方偏移のバーストは主に楕円銀河に存在する。また、源の位置は宿主銀河から最大1 Mpcのずれを示す可能性がある。

ABSTRACT

The evolution of the comoving cosmic merger-rate density of neutron star binaries n_c(z) is calculated using a distribution of their merging times provided by population-synthesis computations of binary stars. We adopt an exponential law for the star formation rate with various timescales for different morphological types of galaxies. For elliptical galaxies also an initial burst of star formation, lasting one Gyr, is considered. The resulting n_c(z) of most models agree with the form n_c(z) \propto (1+z)^{1.5-2} for z &lt; 2, which has been proposed for the source population of gamma-ray bursts. Assuming a standard candle luminosity, the computed brightness distribution is consistent with the BATSE results if bursts at the peak flux threshold, P = 0.4 photons cm^{-2}/s, are located at a limiting redshift of 1.9 to 3.3. Progenitors of the systems producing gamma-ray bursts at small redshift (bright) are likely to host in spiral galaxies and star forming regions whereas these at high redshift (dim) reside mainly in elliptical galaxies. The location of a burst may be up to a Mpc away from the host galaxy.

研究の動機と目的

• 中性子星連星の共動的合体率密度の赤方偏移進化を特定すること。
• 予測された合体率密度の進化が、観測されたガンマ線バーストの赤方偏移分布と一致するかどうかを評価すること。
• 合体時間と星形成歴に基づいて、GRBの前身星の宿主銀河タイプと空間的分布を調査すること。
• モデルの明るさ分布がBATSE観測と整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• パopulation合成モデルを用いて、中性子星連星の合体時間の分布を計算する。
• 異なる銀河形態に応じた変動する時定数を有する指数関数的法則を用いて星形成率をモデル化する。
• 楕円銀河の形成歴をよりよく表現するため、初期に1 Gyrの星形成バーストを含める。
• 赤方偏移された合体時間を赤方偏移し、宇宙時間にわたって統合することで共動的合体率密度 n_c(z) を計算する。
• GRBが標準光源の明るさを持つと仮定し、モデルの明るさ分布をBATSEデータと比較する。
• 二重星の力学的挙動と噴出速度に基づき、GRBの位置と宿主銀河との間で最大1 Mpcのずれを考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 予測された中性子星連星合体率の赤方偏移進化が、ガンマ線バーストデータで観測された (1+z)^{1.5–2} の依存性と一致するか？
• RQ2 低赤方偏移と高赤方偏移において、GRBの前身星を宿す銀河のタイプは何か？
• RQ3 ネイタルキックや動的放出によって、GRBの前身星が宿主銀河からどれほどずれうるか？
• RQ4 モデルが予測する明るさ分布は、BATSEの観測された放射束分布と整合するか？
• RQ5 異なる星形成歴（例えば、指数関数的 vs. バースト）が、合体率密度の進化に果たす役割は何か？

主な発見

• z < 2 において、共動的合体率密度 n_c(z) は n_c(z) ∝ (1+z)^{1.5–2} に従い、これはGRBの前身星に推定された形と一致する。
• バーストがピークフラックス閾値（P = 0.4 photons cm⁻² s⁻¹）に達する場合、赤方偏移が1.9から3.3の間にあると仮定すると、モデルの予測明るさ分布はBATSEデータと整合する。
• 明るく低赤方偏移のGRBの前身星は、おそらくスパイラル銀河および星形成領域に宿っている。
• 暗く高赤方偏移のGRBの前身星は主に楕円銀河に存在する。
• ネイタルキックや動的放出の結果、GRBの位置が宿主銀河から最大1 Mpcずれる可能性がある。
• モデルは、短時間継続のGRBが中性子星連星合体に起因するという仮説を支持しており、宿主銀河のタイプと赤方偏移は合体 timescale と星形成歴に依存する。