[論文レビュー] Observational consequences of structured jets from neutron star mergers in the local Universe

Nihar Gupte, I. Bartos|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2018

Advanced X-ray and CT Imaging被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、中性子星合体における構造化されたガンマ線ジェットの観測的影響を検討し、GRB170817Aをモデル例として用いる。構造化された放射が宇宙の局所領域における検出可能性を向上させることを示し、重力波で検出された合体の約30％が観測可能なGRB対応物を持ち、観測された短時間ガンマ線バーストの約10％が200 Mpc以内に発生し、BNS合体率が約500 Gpc⁻³ yr⁻¹であると予測する。

ABSTRACT

The recent multi-messenger discovery of binary neutron star (BNS) merger GW170817 showed that $γ$-ray emission in short GRBs is wider than the central energetic narrow cone, and weakly expands out to tens of degrees. Here we explore some of the observational consequences of this structured emission, taking the reconstructed angular emission profile of gamma-ray burst GRB170817A to be typical. We calculate the expected fraction of gravitational-wave observations from BNS mergers that will have an observed GRB counterpart to be $\sim30\%$, implying that joint gravitational-wave and GRB observations will be common. Further, we find that $\sim10\%$ of observed short GRBs occur within 200 Mpc. Finally, we estimate a BNS merger rate of $\sim500$ Gpc$^{-3}$yr$^{-1}$.

研究の動機と目的

• 中性子星合体からの構造化されたガンマ線放射が多メッセンジャー検出率に与える影響を理解すること。
• 非軸上視線角および弱い延長放射が、局所宇宙における短時間GRBの観測率に与える影響を定量化すること。
• 観測されたGRB検出統計と構造化されたジェットモデルに基づいて、局所的なBNS合体率を推定すること。
• 観測された短時間GRB率と重力波検出から導かれる合体率の間の不一致を解消すること。
• 構造化されたジェットが、遠方で強くビーム化されたイベントと比較して、近距離源からのGRB検出可能性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 著者らは、GRB170817Aの再構築された方位分布を、BNS合体に起因する典型的な短時間GRBの構造化されたジェットの基準モデルとして用いる。
• 重力波で検出されたBNS合体のうち、観測可能なGRB対応物を持つ割合を、構造化されたジェット分布を視線角全体にわたって統合することで計算する。
• 短時間GRBの検出体積は、Marguttiら（2018年）のシミュレートされた構造化されたジェット分布を用いて推定され、ジェット軸から40°までの検出可能範囲を仮定する。
• 局所的なBNS合体率は、Fermi-GBMおよびSwift-BATによる年間約45個の観測GRB率を、約0.1 Gpc⁻³の有効検出体積にスケーリングすることで導出される。
• 近接したGRBは、弱い放射であっても距離の近さにより、大きな視線角でも検出可能であるという事実を分析に組み込む。
• モデルは、構造化されたジェット分布が40°まで有効であると仮定しており、これにより、より大きな角度での検出が可能になる可能性を考慮した結果は保守的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造化されたジェット放射のため、重力波で検出されたBNS合体のうち、どの程度の割合が観測可能な短時間GRB対応物を持つと予想されるか？
• RQ2 延長放射プロファイルを考慮すると、観測された短時間GRBのうち、どの程度が200 Mpc以内から発生すると予想されるか？
• RQ3 観測されたGRB検出率と構造化されたジェットモデルに基づいて、推定される局所的なBNS合体率密度は何か？
• RQ4 構造化された放射が、遠方で強くビーム化されたGRBと比較して、近距離GRBの検出可能性に与える影響は何か？
• RQ5 構造化されたジェットの取り入れが、観測された短時間GRB率とBNS合体率の間の不一致をどの程度解消するか？

主な発見

• 構造化されたジェット放射のおかげで、重力波で検出されたBNS合体の約30％が、観測可能な短時間GRB対応物を持つと予想される。
• 観測された短時間GRBの約10％が、地球から200 Mpc以内に発生すると予想され、近接するGRBの大部分が距離の観点から未検出のまま残っている可能性を示唆する。
• 局所的なBNS合体率密度は約500 Gpc⁻³ yr⁻¹と推定され、LIGO/Virgoの観測と整合的であるが、一部の集団合成モデルよりは高い。
• 短時間GRBの検出体積は、構造化されたジェットプロファイルと年間約45個の観測GRB率に基づき、約0.1 Gpc⁻³と推定される。
• 近接したGRBが遠方のものよりも著しく明るくない理由が、大角度での弱い放射が距離の近さで相殺されることで説明できる。
• 結果は保守的である。なぜなら、構造化されたジェットプロファイルは40°までに限定されており、より大きな角度での検出が可能になる可能性があるため、局所検出率はさらに上昇する可能性がある。