[論文レビュー] Quark-Novae in post-accretion Low-Mass X-ray Binaries: A universal model for short-hard Gamma-Ray Bursts

Rachid Ouyed, Jan E. Staff+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、質量の大きな中性子星（>1.6 M⊙）と円周双星円盤を有する低質量X線連星系におけるクォーク・ノーバーが、噴出物と円盤の相互作用によって即時の放射を生成する普遍的モデルを提案する。このモデルは、GRB 000727、GRB 000218、GRB 980706Aのバンド関数スペクトル、持続時間、変動性、スペクトル進化をうまく再現する。一方、拡張放射と後光は衝撃加熱および降着過程によって説明される。

ABSTRACT

We show that several features reminiscent of short-hard Gamma-ray Bursts (GRBs) arise naturally when Quark-Novae occur in low-mass X-ray binaries born with massive neutron stars (> 1.6M_sun) and harboring a circumbinary disk. Near the end of the first accretion phase, conditions are just right for the explosive conversion of the neutron star to a quark star (Quark-Nova). In our model, the subsequent interaction of material from the neutron star's ejected crust with the circumbinary disk explains the duration, variability and near-universal nature of the prompt emission in short-hard GRBs. We also describe a statistical approach to ejecta break-up and collision to obtain the photon spectrum in our model, which turns out remarkably similar to the empirical Band function (Band 1993). We apply the model to the fluence and spectrum of GRB 000727, GRB 000218, and GRB980706A obtaining excellent fits. Extended emission (spectrum and duration) is explained by shock-heating and ablation of the white dwarf by the highly energetic ejecta. Depending on the orbital separation when the Quark-Nova occurs, we isolate interesting regimes within our model when both prompt and extended emission can occur. We find that the spectrum can carry signatures typical of Type Ib/c SNe although these should appear less luminous than normal type Ib/c SNe. Late X-ray activity is due to accretion onto the quark star as well as its spin-down luminosity. Afterglow activity arise from the expanding shell of material from the shock-heated expanding circumbinary disk. We find a correlation between the duration and spectrum of short-hard GRBs as well as modest hard-to-soft time evolution of the peak energy.

研究の動機と目的

• 短・硬いGRBの近似的に普遍的な即時の放射特徴を、低質量X線連星系におけるクォーク・ノーバー爆発に根ざした物理的メカニズムで説明すること。
• 噴出物が円周双星円盤と相互作用することで生じるメカニズムを用いて、短・硬いGRBの持続時間、変動性、スペクトル形状（バンド関数）を説明すること。
• 短・硬いGRBにおける即時の放射、拡張放射、後光の起源を、一つの天体物理学的枠組みで統一的に説明すること。
• クォーク・ノーバー駆動のGRBが、やや光度が低いものの、タイプIb/c超新星に類似した痕跡を残す可能性があるかどうかを検討すること。
• 最終的に形成されるクォーク星の降着およびスピンダウン放射を用いて、遅発X線活動をモデル化すること。

提案手法

• 低質量X線連星系における最終的降着段階で、質量の大きな中性子星（>1.6 M⊙）がクォーク星に爆発的変換される（クォーク・ノーバー）過程をモデル化する。
• 中性子星の皮膚から噴出する物質と周囲の円周双星円盤との相互作用をシミュレートし、即時の放射を生成する。噴出物の破壊と衝突の統計的モデルを用いる。
• 統計的手法を用いてフォトンスペクトルを導出し、これは実験的バンド関数（Band 1993）と非常によく一致することが示される。
• 流体力学的衝撃加熱およびアブレーションモデルを用いて、白色矮星との相互作用による拡張放射のスペクトルと持続時間を説明する。
• クォーク星への降着およびそのスピンダウン放射を用いて、遅発X線活動をモデル化する。
• 円周双星円盤の拡張する衝撃加熱シェルからの後光放射をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量X線連星系に存在する質量の大きな中性子星におけるクォーク・ノーバーが、観測された短・硬いGRBの即時の放射の持続時間と変動性を自然に再現できるか？
• RQ2 クォーク・ノーバーの噴出物と円周双星円盤の相互作用が、短・硬いGRBで観測された実験的バンド関数スペクトルを再現できるか？
• RQ3 短・硬いGRBの拡張放射は、エネルギーの高い噴出物による白色矮星の衝撃加熱およびアブレーションによって説明可能か？
• RQ4 クォーク・ノーバー駆動のGRBが、タイプIb/c超新星に類似した観測的痕跡を残すが、その光度はどのように異なるか？
• RQ5 形成されたクォーク星の降着およびスピンダウンが、遅発X線活動および後光放射にどのように寄与するか？

主な発見

• モデルは、実験的バンド関数と非常に近いフォトンスペクトルを生成し、短・硬いGRBに物理的に妥当であることを裏付ける。
• GRB 000727、GRB 000218、GRB 980706Aの放射量およびスペクトルについて良好なフィットが得られ、モデルの予測力が裏付けられる。
• 白色矮星への衝撃加熱およびアブレーションによって、拡張放射が成功裏に説明され、観測と一致する持続時間とスペクトルが得られる。
• モデルは、短・硬いGRBの持続時間とスペクトルの相関関係を予測し、観測データと一致する。
• やや弱い硬さから柔らかさへの時間的進化（ピークエネルギーの変化）が再現され、短・硬いGRBの観測されたスペクトル進化と一致する。
• 遅発X線活動は、クォーク星への降着およびスピンダウン放射に起因するとされ、X線後光成分の自然な説明を与える。