[論文レビュー] GRB-supernovae: A New spin on gravitational waves

van Putten, H P M Maurice|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、一般相対性理論における短時間降伏爆発（GRB）-超新星における急速回転するブラックホールが、スピン-軌道結合によって重力波を励起し、回転軸に沿って荷電粒子を加速することで、GRBに類似した放射を生成すると提案する。シミュレーションにより、内部衝撃波が径方向のスプラッシュ構造を生成することが示され、大角度方向に低輝度・低エネルギーの放射が発生する可能性があり、これがX線フラッシュの説明につながる可能性がある。

ABSTRACT

The discovery of the GRB-supernova association poses the question on the nature of the inner engine as the outcome of Type Ib/c supernovae. These events are believed to represent core-collapse of massive stars, probably in low-period stellar binaries and similar but not identical to the Type II event SN1987A. The branching ratio of Type Ib/c supernovae into GRB-supernovae has the remarkably small value of less than 0.5%. These observational constraints point towards a rapidly rotating black hole formed at low probability with low kick velocity. The putative black hole hereby remains centered, and matures into a high-mass object with large rotational energy in angular momentum. As the MeV-neutrino emissions from SN1987A demonstrate, the most powerful probe of the inner workings of core-collapse events are radiation channels to which the remnant envelope is optically thin. We here discuss the prospect of gravitational-wave emissions powered by a rapidly rotating central black hole which, in contrast to MeV-neutrinos, can be probed to distances as large as 100Mpc through upcoming gravitational-wave detectors LIGO and Virgo. We identify the GRB-emissions, commonly attributed to ultrarelativistic baryon-poor ejecta, with a new process of linear acceleration of charged particles along the axis of rotation of a black hole in response to spin-orbit coupling. We include some preliminary numerical simulations on internal shocks produced by intermittent ejecta. The results showing a radial splash, which points towards low-luminosity and lower-energy radiation at large angles, possibly related to X-ray flashes.

研究の動機と目的

• GRB-超新星における中心的エンジンとしての急速回転ブラックホールの役割を調査すること。
• コア収縮超新星の物理を解明するためのプローブとして、このようなブラックホールからの重力波放射を探索すること。
• 超相対論的物質の噴出ではなく、スピン-軌道結合に起因する粒子加速によってGRB放射を説明すること。
• 断続的な噴出物からの内部衝撃波とその放射シグネチャをモデル化すること。

提案手法

• 大規模な回転エネルギーを有する急速回転ブラックホールからの重力波放射をモデル化する。
• スピン-軌道結合を用いて、ブラックホールの回転軸に沿った荷電粒子の線形加速を記述する。
• ブラックホールの磁気圏内における断続的噴出物からの内部衝撃波を数値的にシミュレートする。
• これらの衝撃波からの放射パターンを分析し、特に放射の方位分布と輝度に注目する。
• 予測された放射特徴を観測されたX線フラッシュおよび低輝度GRBと比較する。
• 検出可能な放射チャネルを得るため、残骸の外層が光学的に薄い性質に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB-超新星における急速回転ブラックホールが、100Mpcの距離で検出可能な重力波信号をどのように生成するか。
• RQ2 標準的な超相対論的噴出物とは異なり、スピン-軌道結合がGRBに類似した放射を生成する役割は何か。
• RQ3 断続的噴出物がどのように内部衝撃波を生成し、そのような衝撃波からどのような放射パターンが生じるか。
• RQ4 観測されたX線フラッシュの性質が、これらの衝撃波に起因する径方向スプラッシュ構造によって説明可能か。
• RQ5 低輝度放射と、中心エンジンからの放射の方位分布との間にどのような関係があるか。

主な発見

• LIGOとVirgoを用いて、GRB-超新星における急速回転ブラックホールからの重力波放射は、100Mpcの距離まで検出可能である。
• スピン-軌道結合が、ブラックホールの回転軸に沿って荷電粒子を線形加速させ、GRBに類似した放射を生成する。
• 内部衝撃波のシミュレーションにより、噴出物に径方向のスプラッシュ構造が生成され、大角度方向に低輝度放射が発生することが示唆される。
• 径方向スプラッシュ構造は、X線フラッシュおよび低輝度GRBの観測と整合的である。
• 本モデルは、GRB放射が、純粋にバリオンが乏しい相対論的ジェットとは異なり、ブラックホールのスピンに結びつく電磁気的プロセスに起因する可能性を示唆する。
• Type Ib/c超新星がGRB-超新星に転換する割合（≤0.5%）は、極めて高い回転速度で、かつキック速度が最小限のブラックホールが形成される確率が低いことによって説明できる。