[論文レビュー] On the rate and on the gravitational wave emission of short and long GRBs

R. Ruffini, Juan Rodríguez+14 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 152被引用数 20

ひとこと要約

本論文は、短時間・長時間ガンマ線バースト（GRBs）を統一的な二重原始星フレームワークとして提案し、コンパクト対象の組み合わせ（例：COcore-NS、NS-BH）に基づいて7つのサブクラスに分類する。このフレームワークでは、これらの系からの重力波（GW）放射をモデル化し、Advanced LIGO、Virgo、eLISA、共振バーなどでの検出可能性を評価している。その結果、従来は非GW放射とみなされてきた長時間GRBsも、密な二重星系における誘導的重力的収縮によって検出可能なGWを発生させ得ることが示され、BdHNeおよびXRFsがGWおよびGRBの発生率予算に大きく寄与することが分かった。

ABSTRACT

On the ground of the large number of gamma-ray bursts (GRBs) detected with cosmological redshift, we classified GRBs in seven subclasses, all with binary progenitors originating gravitational waves (GWs). Each binary is composed by combinations of carbon-oxygen cores (CO$_{ m core}$), neutron stars (NSs), black holes (BHs) and white dwarfs (WDs). The long bursts, traditionally assumed to originate from a BH with an ultra-relativistic jetted emission, not emitting GWs, have been subclassified as (I) X-ray flashes (XRFs), (II) binary-driven hypernovae (BdHNe), and (III) BH-supernovae (BH-SNe). They are framed within the induced gravitational collapse (IGC) paradigm with progenitor a CO$_{ m core}$-NS/BH binary. The supernova (SN) explosion of the CO$_{ m core}$ triggers an accretion process onto the NS/BH. If the accretion does not lead the NS to its critical mass, an XRF occurs, while when the BH is present or formed by accretion, a BdHN occurs. When the binaries are not disrupted, XRFs lead to NS-NS and BdHNe lead to NS-BH. The short bursts, originating in NS-NS, are subclassified as (IV) short gamma-ray flashes (S-GRFs) and (V) short GRBs (S-GRBs), the latter when a BH is formed. There are (VI) ultra-short GRBs (U-GRBs) and (VII) gamma-ray flashes (GRFs), respectively formed in NS-BH and NS-WD. We use the occurrence rate and GW emission of these subclasses to assess their detectability by Advanced LIGO-Virgo, eLISA, and resonant bars. We discuss the consequences of our results in view of the announcement of the LIGO-Virgo Collaboration of the source GW 170817 as being originated by a NS-NS.

研究の動機と目的

• コンパクト対象の組み合わせ（COcore、NS、BH、WD）に基づいて、長時間および短時間GRBsを統一的な二重原始星フレームワークに再分類すること。
• 従来は非GW放射と想定されてきた長時間GRBsの重力波（GW）放射可能性を再評価すること。
• 現在および将来の検出器（Advanced LIGO、Virgo、eLISA、共振バー）によるGRB関連GWの検出可能性を推定すること。
• 二重星の進化および超臨界降着プロセスと関連付けることで、観測されたGRB発生率と理論的モデルを一致させること。
• NS-NS合体であるGW170817を、短時間GRBsおよびU-GRBsの二重原始星モデルの妥当性の証明と解釈すること。

提案手法

• 原始星二重星に基づき、7つのサブクラスにGRBsを分類する：（I）XRFs、（II）BdHNe、（III）BH-SNe、（IV）S-GRFs、（V）S-GRBs、（VI）U-GRBs、（VII）GRFs。
• 長時間GRBsに誘導的重力的収縮（IGC）パラダイムを適用し、超臨界降着がSN噴出物からコンパクト同伴（NSまたはBH）へ行われるのをモデル化する。
• 光度関数と宇宙的GRB発生率を用いて、赤方偏移に依存しないf(z) = 1として、畳み込みにより局所的観測イベント発生率密度を計算する。
• 検出器固有の視野および運用時間に基づき、ピーク放射度のしきい値からzmax(L)を計算するため、距離制限検出法（Schaefer 2007）を適用する。
• GWの検出可能性を、推定された発生率とGW放射モデル（合体スケールおよびバリオン環境のクリアネス）を用いて評価する。
• SN後の二重星の生存可能性を評価するため、軌道力学および非即時的質量損失効果（例：SN衝撃波の到達時間）を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来は非GW放射とみなされてきた長時間GRBsが、二重原始星モデルを用いることで検出可能な重力波源として再解釈可能か？
• RQ2 提案された7つのGRBサブクラスについて、LIGO、Virgo、eLISA、共振バー検出器における検出可能な重力波放射発生率はそれぞれどの程度か？
• RQ3 XRFs、BdHNe、BH-SNeの推定発生率が観測された長時間GRB発生率と比較してどう異なるか？また、これにより原始星モデルにどのような示唆があるか？
• RQ4 非即時的質量損失およびSN衝撃波の到達時間は、COcore-NS二重星がNS-BHまたはNS-NS二重星へ生存するかどうかを決定づける役割を果たすか？
• RQ5 最近のGW170817 NS-NS合体は、短時間および超短時間GRBsのための提案された二重原始星フレームワークをどのように支持するか？

主な発見

• XRFサブクラスの局所的観測発生率はρXRF = 100+45−34 Gpc−3 yr−1であり、低光度長時間GRBsと整合的である。
• BdHNeサブクラスの局所的観測発生率はρBdHN = 0.77+0.09−0.08 Gpc−3 yr−1であり、高光度長時間GRB発生率と一致する。
• BH-SNサブクラスはBdHNe発生率によって上限が規定され、ρBH−SN ≲ 0.77+0.09−0.08 Gpc−3 yr−1である。これは、超ストリップド二重星のわずかな割合（0.5–5%）から生じる可能性を示唆している。
• COcore-NS二重星（軌道周期が30分未塔）は、SN爆発を生き残り、SN衝撃波の到達時間が軌道周期と同等の場合、νNS-BH二重星を形成する。この場合、GW駆動による合体が約10^4年スケールで進行する。
• U-GRBサブクラス（NS-BH合体）は、BdHNeの生存者から予測され、クリアな合体環境を有し、超短時間GRB放射の可能性を秘めている。
• 本モデルは、GW170817 NS-NS合体をS-GRBsおよびS-GRFsの原始星として説明でき、短時間GRBsの二重星起源を裏付けるとともに、U-GRBsおよびGRFsへのフレームワークの拡張を可能にしている。