[論文レビュー] How may short-duration GRBs form? A review of progenitor theories

Dorottya Szécsi|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、短時間継続のガンマ線バースト（SGRB）の理論的前身星モデルをレビューし、二重ブラックホール合体が重力波と電磁放射を同時に発生させる可能性のある源であることに焦点を当てる。著者らは、低金属量で質量の大きな連星星における化学的均一的進化—いわゆるTWUIN星—が、合体時に一時的な降着円盤を形成し、SGRBを駆動するブラックホール二重星系を生む可能性を提唱する。主な貢献は、SGRBと重力波の対応を示す低金属量の矮星銀河に、TWUIN星が存在するという関連を確立することにある。

ABSTRACT

The origin of gamma-ray bursts (GRBs) is still a fascinating field of research nowadays. While we have been collecting more and more observationally constrained properties of GRB-physics, new theoretical results on the progenitor evolution (be it stellar or compact object) have also emerged. I review some of the most promising progenitor theories for forming a short-duration GRB. A special emphasis is put on the hypothetical case of forming a short-duration GRB through the double black hole merger scenario -- in which case we may expect to observe a gravitational wave emission too. The chemically homogeneous channel for forming a black hole binary is discussed, and the stellar progenitors (so called TWUIN stars) are introduced. The birth place of these short-duration GRBs with a gravitational wave counterpart may be low-metallicity, starforming dwarf galaxies.

研究の動機と目的

• 短時間継続のガンマ線バースト（SGRB）の天体物理学的起源を調査すること、特に重力波放射を伴う可能性があるものに焦点を当てる。
• 重力波放射を伴うSGRBの前身星としての二重ブラックホール合体の妥当性を評価すること、これはかつて物質が不足しているために不自然と見なされていたが。
• 質量の大きな連星星における化学的均一的進化の役割を、観測可能な電磁的対応を持つブラックホール二重星系の形成経路として探求すること。
• このようなSGRB-重力波イベントが発生する可能性のあるホスト環境を特定すること、特に低金属量で星形成が活発な矮星銀河を対象とする。
• 近年の重力波観測を踏まえ、重力波とSGRBが同時に検出された場合の理論的・観測的意味を評価すること。

提案手法

• 磁気流体力学的シミュレーションを用いて、中性子星-中性子星（NS+NS）および中性子星-ブラックホール（NS+BH）合体のジェット形成と降着円盤の寿命をモデル化する。
• 低金属量における質量の大きな連星星の化学的均一的進化の理論的モデルをレビューし、ブラックホール二重星系の前身星としてのTWUIN星の形成に焦点を当てる。
• 合体後に残る降着円盤が、再降着物質や円盤再活性化によって再エネルギー化され得るという仮説を検討し、これによりSGRB放射が可能になることを示唆する。
• 合体中に急激に変化する磁気モーメントを有する高電荷ブラックホールが、電磁放射を生成する可能性のある代替メカニズムを検討する。
• 星間進化モデルを用いて、TWUIN星—質量が大きく、コンactで、高温で、化学的に均一な星—が、質量損失が抑制される低金属量環境でのみ形成可能であることを示す。
• TWUIN星からのイオン化光子出力が、検出可能なX線源やWolf–Rayet星が存在しない矮星銀河のイオン化した星間媒体を説明できる可能性を提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質が欠如しているにもかかわらず、二重ブラックホール合体が短時間継続のガンマ線バーストを生成できるか？
• RQ2 どのような星間進化経路が、降着円盤の再活性化によってSGRBを駆動できるブラックホール二重星系を形成するのか？
• RQ3 化学的均一的進化とTWUIN星は、低金属量環境におけるSGRB前身星の形成にどのように寄与するのか？
• RQ4 BH+BH合体に起因するSGRBとNS+NSやNS+BH系に起因するSGRBを区別する観測的特徴は何か？
• RQ5 低金属量の矮星銀河のイオン化特性が、TWUIN星およびそれに関連するSGRBイベントの存在を間接的に示唆できるか？

主な発見

• NS+NS合体のシミュレーションでは、ブラックホールへの崩壊に先立ち、ハイパーマスな中性子星が一時的に形成され、約0.1秒間降着円盤を維持する。これは短時間継続のガンマ線バーストの典型的な持続時間と一致する。
• NS+NSおよびNS+BH合体は、合体時に放出される物質から形成される降着円盤を通じて相対論的ジェットを発生させ得る。これは、これらがSGRBの前身星として妥当であることを支持する。
• 理論的モデルでは、BH+BH合体が再降着物質や円盤再活性化によって残りの降着円盤を再エネルギー化できれば、SGRBを生成可能であるが、NSベースのモデルに比べてまだ十分に発展していない。
• TWUIN星—質量が大きく、コンactで、高温で、化学的に均一な星—は、質量損失が抑制される低金属量環境でのみ形成可能であり、高金属量領域では希少である。
• TWUIN星は強力なHe IIイオン化放射を放出するが、これは検出可能なX線源やWolf–Rayet星が存在しない一部の矮星銀河のイオン化星間媒体を説明できる可能性がある。
• 低金属量で星形成が活発な矮星銀河は、TWUIN星二重星系の存在に起因するSGRBイベントと重力波検出が同時に観測される主なホスト環境と予測される。