[論文レビュー] Possible Short Gamma-Ray Bursts Associated with Black Hole - Black Hole Mergers

Bing Zhang|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、合体過程における急激に変化する磁気双極子からのポインティングフラックスの散逸によって、電荷を帯びたブラックホール-ブラックホール（BH-BH）合体が短時間ガンマ線バースト（GRB）を生成できると提唱している。ブラックホールが臨界電荷 $Q_c$ の $\hat{q} \sim 10^{-5}-10^{-4}$ 程度の電荷を有する場合、その結果生じる高エネルギー一時的現象は検出可能な短時間GRBとして観測可能であり、これはLIGO/VirgoのGW 150914と一致するFermi GBMの信号を説明できる可能性がある。

ABSTRACT

The discoveries of GW 150914, GW 151226, and LVT 151012 suggest that double black hole (BH-BH) mergers are common in the universe. If at least one of the two merging black holes carries certain amount of charge, possibly retained by a rotating magnetosphere, the inspiral of a BH-BH system would drive a global magnetic dipole normal to the orbital plane. The rapidly evolving magnetic moment during the merging process would drive a Poynting flux with an increasing wind power. The magnetospheric activities during the final phase of the merger would make a fast radio burst (FRB) if the BH charge can be as large as a factor of $\hat q \sim (10^{-9}-10^{-8})$ of the critical charge $Q_c$ of the BH. At large radii, dissipation of the Poynting flux energy in the outflow would power a short duration high-energy transient, which would appear as a detectable short-duration gamma-ray burst (GRB) if the charge can be as large as $\hat q \sim (10^{-5}-10^{-4})$. The putative short GRB coincident with GW 150914 recorded by Fermi GBM may be interpreted with this model. Future joint GW/GRB/FRB searches would lead to a measurement or place a constraint on the charges carried by isolate black holes.

研究の動機と目的

• 電荷を帯びたブラックホール-ブラックホール合体が観測可能な短時間ガンマ線バースト（GRB）を生成できるかどうかを調査すること。
• GW 150914のような重力波イベントの電磁的対応体、特に電荷を帯びたブラックホールの文脈において、それらを探索すること。
• このようなGRBの検出可能性を評価し、重力波/ガンマ線バースト/急速無線バースト（FRB）の共同観測を用いてブラックホール電荷を制約する可能性を検討すること。

提案手法

• BH-BHの近接・合体過程における回転・電荷を帯びたブラックホールが誘導する磁気双極モーメントをモデル化する。
• 軌道面における時間的に変化する磁気双極モーメントが生成するポインティングフラックスを計算する。
• 磁気モーメントの変化率に基づいて、電磁気的噴流の風エネルギーを推定する。
• 大半径でのエネルギー散逸を評価し、ポインティングフラックスが短時間の高エネルギー一時的現象を駆動できるかどうかを検証する。
• 臨界電荷 $Q_c$ を基準として、次元なしの電荷 $\hat{q} = q/Q_c$ を定義し、観測可能なシグナルを評価する。
• Fermi GBMがGW 150914と一致する検出結果と、予測されたGRBの全光度および持続時間とを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷を帯びたブラックホール-ブラックホール合体が、ポインティングフラックスの散逸によって検出可能な短時間ガンマ線バーストを生成できるか？
• RQ2 観測可能な全光度を持つ短時間GRBを生成するためには、ブラックホール電荷（$\hat{q}$）のどの範囲が必要か？
• RQ3 Fermi GBMがGW 150914と一致する信号を記録したことは、この電磁的対応体モデルと整合的か？
• RQ4 将来の重力波・ガンマ線バースト・急速無線バーストの共同観測により、孤立ブラックホールの電荷を測定または制約できるか？
• RQ5 合体中の電荷を帯びたBH系から、電磁エネルギーが短時間の高エネルギー一時的現象へと変換される物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 臨界電荷 $Q_c$ の $\hat{q} \sim 10^{-5}-10^{-4}$ 程度のブラックホール電荷があれば、ポインティングフラックスの散逸によって検出可能な短時間ガンマ線バーストを駆動できる。
• ブラックホール電荷が $Q_c$ の $\hat{q} \sim 10^{-9}-10^{-8}$ 程度に達すると、最終合体段階における磁気圏活動により、急速無線バースト（FRB）を生成できる可能性がある。
• Fermi GBMが記録したGW 150914と一致する仮説的な短時間GRBは、本モデルによって説明可能であり、重力波イベントの電磁的対応体である可能性を示唆している。
• 本モデルは、大半径でのポインティングフラックスエネルギーの散逸が、持続時間およびピーク全光度の両方が短時間GRBと一致する一時的現象を生成すると予測している。
• 将来の重力波・ガンマ線バースト・急速無線バーストの共同検出キャンペーンにより、孤立ブラックホールが持つ電荷を測定または制約できる可能性がある。