[論文レビュー] On the role of a cavity in the hypernova ejecta of GRB 190114C

R. Ruffini, Julio David Melon Fuksman+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 16被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、二重星駆動ハイパーノバ（BdHN I）シナリオにおけるブラックホール形成後に形成された低密度キャビティに対して電子・陽電子・光子プラズマが反射することで、GRB 190114Cの第二の放射ピークが生じると提案する。流体力学的シミュレーションと解析的モデルにより、反射したプラズマが11–20秒の静止系フレーム間隔に一致する特徴のない放射尾を生成することが確認され、バリオン密度が10⁻¹⁴ g/cm³まで低下することで、内側エンジンメカニズムによる高エネルギー放射が可能になる。

ABSTRACT

Within the binary-driven hypernova I (BdHN I) scenario, the gamma-ray burst GRB190114C originates in a binary system composed of a massive carbon-oxygen core (CO$_{core}$), and a binary neutron star (NS) companion. As the CO$_{core}$ undergoes a supernova explosion with the creation of a new neutron star ($ν$NS), hypercritical accretion occurs onto the companion binary neutron star until it exceeds the critical mass for gravitational collapse. The formation of a black hole (BH) captures $10^{57}$ baryons by enclosing them within its horizon, and thus a cavity of approximately $10^{11}$ cm is formed around it with initial density $10^{-7}$ g/cm$^3$. A further depletion of baryons in the cavity originates from the expansion of the electron-positron-photon ($e^{+}e^{-}γ$) plasma formed at the collapse, reaching a density of $10^{-14}$ g/cm$^3$ by the end of the interaction. It is demonstrated here using an analytical model complemented by a hydrodynamical numerical simulation that part of the $e^{+}e^{-}γ$ plasma is reflected off the walls of the cavity. The consequent outflow and its observed properties are shown to coincide with the featureless emission occurring in a time interval of duration $t_{rf}$, measured in the rest frame of the source, between $11$ and $20$ s of the GBM observation. Moreover, similar features of the GRB light curve were previously observed in GRB 090926A and GRB 130427A, all belonging to the BdHN I class. This interpretation supports the general conceptual framework presented in Ruffini et al. (2019) and guarantees that a low baryon density is reached in the cavity, a necessary condition for the operation of the "inner engine" of the GRB presented in an accompanying article (Ruffini & Moradi 2019).

研究の動機と目的

• GRB 190114Cの第二の放射ピークの起源を、源の静止系フレームで11–20秒の間で観測されたものとして説明すること。
• この期間における観測された特徴のない放射が、超新星噴出物内の低密度キャビティの壁に対するe⁺e⁻γプラズマの反射によって生じることを示すこと。
• キャビティの形成と進化が、TeV放射を生成する『内側エンジン』の動作に必要な条件を創出することを示すことにより、BdHN Iシナリオを検証すること。
• 同様の光曲線構造を示す他のGRB（例：090926A, 130427A）に対してもこの解釈を拡張し、BdHN Iイベントにおける一般的な反射メカニズムを支持すること。
• 2次元相対論的流体力学的シミュレーションを通じて、観測されたエネルギー放出、タイミング、スペクトルの時間的変化が、提案されたモデルと整合することを確認すること。

提案手法

• 等方的爆発とプラズマの一部の反射を仮定して、e⁺e⁻γプラズマとキャビティの壁との相互作用の解析的モデルを構築する。
• PLUTOコードを用いた2次元相対論的流体力学的シミュレーションにより、プラズマの運動およびキャビティの壁との相互作用をモデル化する。
• 平滑化粒子法（SPH）を用いて、BH形成以前のSN噴出物内でのキャビティ形成をシミュレートし、先行研究（Becerra et al., 2016）に基づく。
• スペクトルモデリングを実施し、反射放射の時間積分スペクトルおよび時間分解スペクトルを観測と比較し、カットオフ・パワー・ロウとピークエネルギーEp ≈ 252 keVでフィッティングする。
• キャビティ内のバリオン密度の進化を分析し、プラズマの拡張と噴出によって密度が10⁻⁷ g/cm³から10⁻¹⁴ g/cm³まで低下することを示す。
• GRB 190114Cのエピソード3と、GRB 090926AおよびGRB 130427Aのタイミングおよびスペクトル的特徴を比較し、BdHN Iイベント全体にわたる一貫性を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 190114Cの源の静止系フレームで11〜20秒の間に観測された特徴のない放射尾の原因は何か？
• RQ2 超新星噴出物内に形成された低密度キャビティの形成が、ブラックホール形成後のe⁺e⁻γプラズマの力学的挙動および観測可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 第二の放射ピークの観測されたスペクトル的および時間的特性が、キャビティの壁に対する反射メカニズムによって再現可能か？
• RQ4 この反射メカニズムは、090926Aや130427Aなどの他のBdHN I型GRBに対しても一般化可能か？
• RQ5 バリオンの枯渇が、高エネルギー（TeV）放射を生成する『内側エンジン』の動作をどのように可能にするか？

主な発見

• GRB 190114Cの第二の放射ピークは、ブラックホール形成後に超新星噴出物内に形成された低密度キャビティの壁に対してe⁺e⁻γプラズマが反射することで生じる。
• キャビティの初期密度は約10⁻⁷ g/cm³であるが、プラズマの拡張によって10⁻¹⁴ g/cm³まで低下し、内側エンジンが作動するための低バリオン環境が創出される。
• PLUTOを用いた2次元相対論的流体力学的シミュレーションにより、反射プラズマがGRB 190114Cの観測されたエピソード3と一致するタイミングとエネルギー放出を生成することが確認された。
• エピソード3の時間積分スペクトルは、軟らかいパワー・ロウ指数α = -1.6およびピークエネルギーEp ≈ 252 keVを示し、冷却するキャビティの壁からの熱放射と整合する。
• スペクトルの軟化傾向が観測され、拡張するキャビティの壁の冷却が予想されるものと一致する。
• 090926A（t_rf ≈ 5 s）および130427A（t_rf ≈ 11 s）においても、遅延した特徴のない放射を持つ類似の光曲線構造が観測され、BdHN I型GRBにおいてこの反射メカニズムが一般的に発生していることを支持する。