[論文レビュー] Models for Gamma-Ray Burst Progenitors and Central Engines

S. E. Woosley|arXiv (Cornell University)|May 20, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、長期間にわたるソフトガンマ線バースト（LSB）の前身星および中心駆動源に関するモデルをレビューし、40 M☉を超える質量の恒星が低金属量環境で崩壊してコラプサーまたは磁星駆動型超新星を引き起こすことを焦点としている。赤移、金属量、超新星連関からの主要な制約を特定し、ディスク風、磁気再結合、再降着など、遅発フレアおよび⁵⁶Ni生成を駆動するメカニズムを評価している。

ABSTRACT

Most gamma-ray bursts are made during the deaths of massive stars. Here the environmental circumstances, stellar evolutionary paths, and explosion physics that might produce the bursts are reviewed. Neither of the two leading models - collapsar and millisecond magnetar - can be excluded, and both may operate in progenitor stars of different masses, metallicities, and rotation rates. Potential diagnostics are discussed and uncertainties highlighted. Both models are capable of producing a wide variety of transients whose properties vary with both stellar properties and viewing angle. Some of these are reviewed including the possibility of very long (days) low luminosity bursts, so far undiscovered, short hard bursts from massive stellar progenitors, and bursts from very massive Population III stars.

研究の動機と目的

• 長期間にわたるソフトガンマ線バースト（LSB）が形成されるための天体物理学的条件を明確にすること、特に質量の大きな星の進化と前身星質量関数に焦点を当てる。
• 赤移、金属量、超新星連関からの観測的制約をもとに、コラプサーと磁星の2つの中心駆動源モデルを比較評価すること。
• LSBにおける遅発フレアおよび⁵⁶Ni生成を駆動する角運動量、質量損失、再降着降着の役割を調査すること。
• LSBの初期放射と関連する高エネルギー超新星残骸を説明する上で、磁星およびコラプサーモデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• SwiftおよびSwift以前のミッションからの観測データを分析し、LSBの赤移分布および宿主銀河の性質を制約する。
• 星形成銀河および星族進化の解析的モデルを適用し、LSBの最小前身星質量（≥40 M☉）を推定する。
• 金属量依存の質量損失が前身星の性質をどのように形作り、LSB形成に適した低金属量環境を促進するかを評価する。
• 原始中性子星および降着ディスクにおける流体力学的および磁気的プロセスを検討し、非均一回転、磁場の散逸、ディスク風のダイナミクスを含む。
• 質量の大きな星の核における再降着と振動的降着サイクルが、遅発フレアを駆動するメカニズムとして検討される。
• 磁気再結合および一時的降着の理論的モデルをレビューし、初期放射の数百～数秒後に観測された硬X線フレアを説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宿主銀河および超新星連関データに基づき、長期間にわたるソフトガンマ線バーストを生成するのに必要な前身星の最小主系列質量は何か？
• RQ2 低金属量が線およびチリの駆動による質量損失を抑制することで、長期間にわたるソフトガンマ線バーストの形成にどのように寄与するか？
• RQ3 磁星駆動モデルは、明るい超新星を駆動するのに十分な⁵⁶Niの生成を可能にするとともに、遅発フレアを維持する中心駆動源の活動を説明できるか？
• RQ4 磁気再結合や再降着など、どのようなメカニズムが初期バーストの数百～数秒後に観測された硬X線フレアを説明できるか？
• RQ5 関連する超新星およびその宿主銀河の性質は、LSBの中心駆動源としてのコラプサーまたは磁星モデルをどの程度支持するか？

主な発見

• 星形成銀河および星族進化の解析的モデルに基づき、長期間にわたるソフトガンマ線バーストの最小前身星質量は40 M☉以上と推定される。
• 長期間にわたるバーストは低金属量環境と強く関連しており、平均的な宿主金属量は太陽の1/6であり、高星形成率の明るさが低い不規則銀河に偏って発生している。
• GRB 030329の前身星は、主系列質量が25 M☉以上であると制約されており、12 M☉未満である可能性は極めて小さい。
• GRB 060505の前身星は32 M☉の質量であったと推定され、質量の大きな星と長期間にわたるソフトバーストの関連を支持する。
• 長期間にわたるバーストの遅発フレアは、一時的降着または磁気再結合によって駆動される可能性が高く、質量の大きな核における周期的再降着サイクルは、約100 sの時スケールで周期的な放射を引き起こす可能性がある。
• 磁星およびコラプサーの両モデルは、明るい超新星を駆動するに十分な⁵⁶Niを生成できるが、ディスク風および再降着の流体力学的挙動は、現実的なシミュレーションではまだ十分に制約されていない。