[論文レビュー] GRB variabilities and following gravitational waves induced by gravitational instability in NDAFs

Narjes Shahamat, Shaharam Abbassi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 76被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ブラックホール周囲のニュートリノ主導降着流（NDAF）における重力不安定性が、クラスター形成を通じてガンマ線バースト（GRB）光曲線の時間的変動を駆動すると提案する。新たな粘性メカニズムがβ-規定に類似しており、移動する断片からの検出可能な重力波が予測される。特に低β ∼ 10⁻⁵の場合、LIGOおよびCosmic Explorerによって観測可能である。

ABSTRACT

The present work proposes a new formalism for the inner regions of a neutrino-dominated accretion flows (NDAFs) by considering the self-gravity, where the neutrino opacity is high enough to make neutrinos trapped becoming a dominant factor in the transportation of energy and angular momentum over the magneto rotational instability. We investigate the possibility of gravitational instability and fragmentation to model the highly variable structure of the prompt emission in gamma-ray bursts (GRBs). The results lead us to introduce the gravitational instability, in these inner regions, as a source of a new viscosity which is of the same functional form as that of the $\beta$-prescription of viscosity. Such a consideration brings about fragmentation in the unstable inner disk. In addition, we find the consequent clumpy structure of this area capable to account for the temporal variability of GRB's light curve, especially for the lower choices of the parameter $\beta$, $\sim 10^{-5}$. Finally, we predict the formation of gravitational waves through the migration of fragments before being tidally disrupted. These waves appear to be detectable via a range of current and future detectors from LIGO to Cosmic Explorer.

研究の動機と目的

• GRBのプロンプト放射の時間的変動を引き起こす要因として、内側のNDAF領域における重力不安定性を調査すること。
• 自己重力と高いニュートリノ透過率がNDAFに新たな粘性メカニズムを引き起こす仕組みをモデル化すること。
• 破壊から生じるクラッピー構造が観測されたGRB光曲線の時間的変動を再現できるかを評価すること。
• 潮汐破壊の直前における移動する断片からの重力波放射を予測すること。
• LIGOやCosmic Explorerといった現在および将来の検出器を用いた、これらの波の検出可能性を評価すること。

提案手法

• 高いニュートリノ透過率がエネルギーおよび角運動量輸送を支配すると仮定し、自己重力をNDAF形式に組み込む。
• 高い降着率（≳0.1 M⊙s⁻¹）下で、熱的および粘性不安定性が生じ、断片化を引き起こす内側ディスクをモデル化する。
• 重力不安定性に起因するβ-規定に類似した粘性を導入し、クラスター形成を可能にする。
• 断片の移動と潮汐破壊をシミュレートし、重力波放射の特徴を推定する。
• LIGOからCosmic Explorerまでの周波数（25–1000 Hz）と歪み振幅（10⁻²³–5×10⁻²²）を評価し、検出可能性を検討する。
• 冷却機構として効率的な自己圧縮冷却を仮定し、放射冷却およびニュートリノ-反ニュートリノ対消滅を無視する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己重力を持つNDAFにおける重力不安定性は、観測されたGRB光曲線の時間的変動を生じうるか？
• RQ2 NDAFにおける重力不安定性が生成する粘性の性質と関数的形態は何か？
• RQ3 断片の移動と潮汐破壊が、この状況下でどのように重力波放射を引き起こすか？
• RQ4 現在および将来の検出器を用いた場合、これらの重力波の検出可能性範囲はどのようになるか？
• RQ5 冷却機構の仮定（例：自己圧縮冷却対光分解冷却）が、断片化および重力波予測にどのように影響するか？

主な発見

• 内側NDAF領域における重力不安定性は、β-規定に類似した関数的形態を持つ新たな粘性メカニズムを生じさせ、クラスター形成を可能にする。
• 得られたクラッピー構造は、特に低β ∼ 10⁻⁵の場合、GRB光曲線の時間的変動をうまく再現する。
• 重力波は、潮汐破壊の直前までに断片が移動する過程で生成され、周波数は25 Hzから1000 Hzの間である。
• 重力波の歪み振幅は10⁻²³から5×10⁻²²の範囲にあり、LIGOおよび将来の検出器（Cosmic Explorer）で検出可能である。
• 低β値では観測結果とより良い一致を示すが、これは大きなレイノルズ数を必要とする一方で、ニュートリノ粘性によるMRI抑制が重要な要因である。
• 光分解冷却を含めてもモデルの核心的予測は健在であり、断片の特徴や波の推定値はわずかに調整される可能性がある。