[論文レビュー] Implications of GRB 130603B and its macronova for r-process nucleosynthesis

Tsvi Piran, Oleg Korobkin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、短時間ガンマ爆発GRB 130603Bとその関連するマクロノーバが、重いr過程元素（A > 130）を主に供給する源として、コンact二重星合体（CBMs）が支配的であるという直接的証拠を提示する。観測された赤外信号に基づき、著者らは最小で0.02 M☉の噴出物質量を推定し、CBMモデルと銀河の化学的進化と整合的であると同時に、太陽系形成の直前に近接する合体が発生した可能性を示唆している。

ABSTRACT

The tentative identification of a Li-Paczynski macronova following the short GRB 130603B indicated that a few hundredths of a solar mass of neutron star matter were ejected and that this ejected mass has radioactively decayed into heavy r-process elements. If correct, this confirms long standing predictions (Eichler, Livio, Piran and Schramm 1989) that on the one hand, sGRBs are produced in compact binary mergers (CBMs) and on the other hand that these events are significant and possibly dominant sources of the heavy (A>130) r-process nuclei. Assuming that this interpretation is correct we obtain a lower limit of 0.02 m_sun on the ejected mass. Using the current estimates of the rate of sGRBs and with a beaming factor of 50, mergers associated with sGRBs can produce all the observed heavy r-process material in the Universe. We confront this conclusion with cosmochemistry and show that even though such events are rare, mixing is sufficient to account for the current homogeneous distribution of r-process material in the Galaxy. However, the appearance of significant amounts of Eu in some very low metallicity stars requires that some mergers took place very early on, namely with a very short time delay after the earliest star formation episodes. Alternatively, an additional early r-processsource may have contributed at that early stage. Finally, we note that evidence for short lived {244}^Pu in the very early solar system suggests that a merger of this kind took place within the vicinity of the solar system shortly (a few hundred million years) before its formation.

研究の動機と目的

• 観測されたGRB 130603Bに続くマクロノーバが、r過程元素の主な供給源としてのコンパクト二重星合体（CBMs）の確認を示しているかどうかを検証すること。
• 観測されたマクロノーバの輝度を生じるのに必要な最小噴出物質量を特定し、CBMsにおけるr過程核合成を制限すること。
• 特に重いr過程元素の初期かつ均一な分布を考慮して、CBM r過程モデルと銀河の化学的進化を調和させること。
• 初期太陽系における244Puの存在が、最近の局所的r過程イベントを示唆するかを評価すること。
• GRB 130603Bの噴出物が周囲の合体物質と相互作用する際に発生する後続の電波放射の検出可能性を評価し、CBMモデルの検証としての意義を検討すること。

提案手法

• 赤外光曲線の分析により、マクロノーバに伴う放射性崩壊エネルギーと噴出物質量を推定する。
• 核合成ネットワーク計算を用いて、観測されたマクロノーバの輝度とA > 130のr過程元素生成を結びつける。
• 推定された放射性加熱率と観測輝度に基づき、最小噴出物質量（m_ej > 0.02 M☉）を推定する。
• ビーミング要因が約50の想定下での予測合体率を、宇宙における重いr過程元素の観測濃度と比較する。
• 乱流混合、速度勾配の違いなどの銀河混合プロセスをモデル化し、ミルキーウェイにおけるr過程元素の均一性を評価する。
• EVLAの感度予測を用いて、噴出物が周囲の合体物質と相互作用する際に発生する電波放射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 GRB 130603Bのマクロノーバ信号は、コンパクト二重星合体における顕著なr過程核合成の証拠を示しているか？
• RQ2 観測されたマクロノーバの輝度を生じるのに必要な最小噴出物質量は何か？ そしてそれは合体の力学にどのような制限を課えるか？
• RQ3 ミルキーウェイにおける重いr過程元素の観測された均一な分布は、CBM駆動の核合成と効率的な混合によって説明可能か？
• RQ4 初期太陽系における244Puの存在は、太陽系形成の約1億年以内に近接するコンパクト二重星合体が発生したことに整合的か？
• RQ5 GRB 130603Bの噴出物が発生する電波放射は検出可能か？ その検出がCBMモデルに何を示唆するか？

主な発見

• GRB 130603Bに続く観測されたマクロノーバは、最小で0.02 M☉の噴出物質量を示しており、これはコンパクト二重星合体からの動的噴出と整合的である。
• 推定された噴出物質量と合体率（ビーミング要因約50）は、宇宙に観測されたすべての重いr過程元素を説明するのに十分である。
• 乱流速度が約150 km/sの高速な銀河混合機構は、ミルキーウェイにおけるr過程元素の観測された均一な分布を説明できる。
• 初期太陽系における244Puの検出は、太陽系形成の約1億年以内にコンパクト二重星合体が発生したことに整合的である。
• 数か月から1年程度のスケールで、噴出物が周囲の合体物質と相互作用する際に、検出可能な電波信号（数10 μJy程度）が予想され、EVLAで観測可能である可能性がある。
• GRB 130603Bのマクロノーバの観測特性は、高い噴出物質量と速度を考慮すると、合体にブラックホールが関与している可能性を示唆している。