[論文レビュー] Gamma-Ray Bursts and the Origin of Chondrules and Planets

B. McBreen, L. Hanlon|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、近隣の巨大星からのガンマ線バースト（GRBs）が、主に鉄による吸収によってX線およびガンマ線を吸収し、太陽系円盤内のほこりの凝集体を数秒で溶融させ、ちり玉を形成した可能性を提唱している。このようにして形成されたちり玉はゆっくりと冷却され、隕石や陸上惑星・ガス巨大惑星の核を形成した。100 pc圏内でのこのような出来事が発生する確率は0.1%であり、太陽系におけるちり玉および惑星の構築要素の起源を説明する可能性がある。

ABSTRACT

The effect of a nearby $γ$-ray burst (GRB) on the preplanetary solar nebula is considered. The intense irradiation by x-rays and $γ$-rays would have caused dust balls to become molten in a matter of seconds, cooling more slowly to form chondrules. The role of iron is crucial in this process because it was the major absorber of x-rays between 7 keV and 30 keV. In this scenario, chondrules formed at the same time across the side of the nebula toward the GRB source. At least 27 Earth masses (M$\oplus$) could have been produced in the nebula with well mixed gas and dust of solar composition, increasing to 100 M$\oplus$ with only moderate depletion of nebular gases. The chondrules combined to form meteorites and possibly the terrestrial planets, the cores of the giant planets and chondrules in comets. Assuming GRBs are linked to massive stars like supernovae, the probability of a GRB within 100 pc which could form chondrules is about 10$^{-3}$ and the same small probability may apply to other planetary systems being akin to our solar system. A GRB in a nearby galaxy will reveal protoplanetary disks by delayed transient infrared emission from the chondrule formation process. We suggest that a GRB was first detected about 4.5 Gyrs ago and its signature was written in stone and preserved by the chondrules in meteorites.

研究の動機と目的

• 初期の太陽系円盤内でちり玉を形成するのに必要なエネルギーをガンマ線バースト（GRBs）が供給可能かどうかを調査すること。
• 強力なX線およびガンマ線放射にさらされた際、円盤内のほこりの凝集体が溶融・再固化してちり玉を形成する物理的条件を検討すること。
• 初期の太陽系に近い距離（100 pc圏内）でGRBが発生する可能性と、それがちり玉形成および惑星系構造に与える影響を評価すること。
• 原始惑星系円盤における遅延赤外放射としての検出可能性を検討すること。

提案手法

• X線およびガンマ線のGRB放射が太陽系円盤内のほこりの凝集体とどのように相互作用するかをモデル化し、エネルギーの吸収と熱処理に焦点を当てる。
• 7 keVから30 keVの範囲でX線を主に吸収する鉄を用い、ほこりの球体の加熱速度と溶融に要する時間スケールを計算する。
• 急速な加熱（数秒）に続くゆっくりとした冷却を仮定し、ちり玉生成の前身物質の熱的進化をシミュレートする。
• ガスの損失がある・ない場合に、太陽組成の円盤から形成可能なちり玉の総質量を推定する。
• GRB発生率と星の進化モデルに基づき、初期の太陽系に100 pc圏内でGRBが発生する確率を評価する。
• 原始惑星系円盤におけるちり玉形成に伴う遅延赤外放射を予測し、過去のGRBイベントの検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近隣のガンマ線バーストが、初期の太陽系円盤内のほこりの凝集体を溶融させるのに十分なエネルギーを供給可能だったのだろうか？
• RQ2 鉄はX線の吸収および円盤内ほこりの熱処理に果たす役割は何か？
• RQ3 太陽組成の円盤でGRB放射にさらされた場合、どの程度の質量のちり玉が形成可能だろうか？ガスの損失はその生成量にどのような影響を与えるか？
• RQ4 初期の太陽系に100 pc圏内で、ちり玉形成を引き起こすに十分なGRBが発生する確率はどのくらいか？
• RQ5 原始惑星系円盤におけるちり玉形成に伴う遅延赤外放射は、過去のGRBイベントを検出可能なシグナチャーとして機能するだろうか？

主な発見

• 近隣のガンマ線バーストは、主に7–30 keV範囲で鉄に吸収される強力なX線およびガンマ線放射により、ほこりの凝集体が数秒で溶融温度に達する。
• ちり玉はGRB源を向いた円盤の側面全域で同時に形成され、観測されたちり玉の同位体均一性と整合的である。
• 太陽組成の円盤では、少なくとも27地球質量のちり玉が形成可能であり、中程度のガス損失があると100地球質量にまで増加する。
• 初期の太陽系に100 pc圏内でちり玉形成を引き起こすに十分なGRBが発生する確率は約10⁻³、すなわち0.1%である。
• 原始惑星系円盤からの遅延一時的赤外放射は、過去のGRBイベントを明らかにし、ちり玉形成の検出可能なシグナチャーを提供する可能性がある。
• 著者らは、約45億年前にGRBが発生し、その痕跡が隕石に含まれるちり玉に保存された可能性を示唆している。