[論文レビュー] GRB170817A: a giant flare from a jet-less double neutron-star merger?

O. S. Salafia, G. Ghisellini+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、相対論的ジェットを必要とせず、超強力な磁場 ($B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$) によって駆動される等方的フレイムボールが、ジェットなしの二重中性子星合体によって生じたものとして、GRB170817Aを提案している。このフレイムボールは、相対論的拡張 ($\Gamma \sim 5$) を示す、わずかな中性子過剰物質 ($M \sim 3 \times 10^{-6}\, M_\odot$) を噴出する。このモデルは、相対論的ジェットを仮定せずともX線および電波データを説明でき、このような等方的X線成分が重力波イベントからの近接したキロノーバの発見を導く可能性がある。

ABSTRACT

We show that GRB170817A and the subsequent radio and X-ray observations can be interpreted as due to an isotropic fireball loaded with a small amount ($M\sim 3 imes 10^{-6}\,{ m M_\odot}$) of neutron-rich ($Y_{ m e}\sim 0.06$) material, which expands relativistically reaching a Lorentz factor $\Gamma\sim 5$. The physical picture resembles that of a giant flare from a magnetar, and could have been driven by an ultra-strong magnetic field $B\sim 3 imes 10^{16}\,{ m G}$ produced through amplification by magnetohydrodynamic turbulence at the beginning of the merger phase of the progenitor double neutron-star binary. Within such picture, the X-ray and radio data indicate a very tenuous ($n\sim 10^{-5}\,{ m cm^{-3}}$) circum-binary medium, suggesting that the binary was outside the host galaxy in our direction, or that some process has blown a cavity around the binary before the merger. No relativistic jet is needed to explain the observations published in the literature so far, but we show that future radio and X-ray observations can be used to rule out the proposed picture. If our interpretation turns out to be correct, it indicates that not all double neutron-star mergers produce a jet, while most should feature this isotropic, hard X-ray component that can be a powerful guide to the discovery of additional kilonovae associated to relatively nearby gravitational wave events.

研究の動機と目的

• 相対論的ジェットを仮定せず、GRB170817AのX線および電波観測を説明すること。
• 観測された放射能が等方的フレイムボールに起因する可能性があるかどうかを調査すること。
• 磁流体力学的乱流によって生成された超強力な磁場 ($B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$) が放射能を駆動する役割を果たすかを検討すること。
• 周囲の二重星環境を評価し、$n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$ のような非常に薄い媒体が、二重星が宿主銀河の外縁に位置するか、事前に形成された空洞内にあることを示唆すること。
• このような等方的で硬いX線成分が二重中性子星合体において一般的な特徴である可能性を提案し、近接したキロノーバの検出を支援する可能性を示すこと。

提案手法

• 超強力な磁場 ($B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$) によって駆動される、相対論的拡張 ($\Gamma \sim 5$) を示す等方的フレイムボールとして放射能をモデル化する。
• 合体段階における磁流体力学的乱流を用いて、磁場が超高値にまで増幅される仕組みを説明する。
• 電子分率 $Y_{\text{e}} \sim 0.06$ を持つ、わずかな中性子過剰物質 ($M \sim 3 \times 10^{-6}\, M_\odot$) の噴出を組み込む。
• 非常に薄い周囲の二重星媒体 ($n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$) を用いたモデルで、観測されたX線および電波光曲線をフィットする。
• 既存の観測データと比較することで、ジェットなしで等方的フレイムボールモデルの妥当性を検証する。
• 将来の電波およびX線観測を、提案されたモデルの否定または確認のための診断ツールとして用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB170817AのX線および電波放射能は、相対論的ジェットを仮定せずに説明可能か？
• RQ2 二重中性子星合体において、等方的で硬いX線成分を生じる物理的メカニズムは何か？
• RQ3 このような放射能を駆動するのに必要な磁場強度は何か？ また、合体過程でどのようにしてその磁場が生成されるのか？
• RQ4 観測された周囲の二重星環境（$n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$）は、二重星の位置または過去の活動について何を示唆するか？
• RQ5 等方的で硬いX線成分は二重中性子星合体において一般的な特徴であるか？ そして、それらは関連するキロノーバの検出を支援できるか？

主な発見

• GRB170817AのX線および電波データは、相対論的ジェットを必要としない等方的フレイムボールモデルと整合的である。
• 放射能は、$\Gamma \sim 5$ で相対論的に拡張する、中性子過剰物質 $M \sim 3 \times 10^{-6}\, M_\odot$（$Y_{\text{e}} \sim 0.06$）を含むフレイムボールによって最もよく説明される。
• この放射能を駆動するには、磁流体力学的乱流によって強化された超強力な磁場 $B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$ が必要である。
• 周囲の二重星媒体は極めて薄く、密度 $n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$ であると推定され、これは二重星が宿主銀河の外縁に位置するか、事前に形成された空洞内にあることを示唆する。
• このモデルは、このような等方的で硬いX線成分が二重中性子星合体において一般的な特徴である可能性を予測しており、近接したキロノーバの検出に新たな手段を提供する。
• 将来の電波およびX線観測を用いることで、提案されたジェットなしで等方的フレイムボールのシナリオを否定または確認できる。