[論文レビュー] Radioactively Powered Electromagnetic Counterparts of Compact Object Mergers

Brian D. Metzger, G. Martı́nez-Pinedo+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、核反応ネットワークを用いて放射性加熱を計算し、モンテカルロ放射移動法を用いて光曲線を予測することで、コンパクトな天体合体からの光学的過渡現象の、初めての自己整合的モデル化を提示する。10⁻² M☉の噴出物質量の場合、過渡現象は約1日以内にVバンドで約3×10⁴¹ erg/s（M_V ≒ -15）のピークに達し、核物理学的不確実性および噴出物組成の不確実性に対しても、光度と時間スケールが一貫している。

ABSTRACT

The most promising astrophysical sources of kHz gravitational waves (GWs) are the inspiral and merger of binary neutron star(NS)/black hole systems. Maximizing the scientific return of a GW detection will require identifying a coincident electro-magnetic (EM) counterpart. One of the most likely sources of isotropic EM emission from compact object mergers is a supernova-like transient powered by the radioactive decay of heavy elements synthesized in ejecta from the merger. We present the first calculations of the optical transients from compact object mergers that self-consistently determine the radioactive heating using a nuclear reaction network; using this heating rate, we model the light curve with a one dimensional Monte Carlo radiation transfer calculation. For an ejecta mass 1e-2 Msun [1e-3 Msun] the resulting light curve peaks on a timescale ~ 1 day at a V-band luminosity ~ 3e41 [1e41] ergs/s (M_V = -15[-14]); this corresponds to an effective f parameter ~3e-6 in the Li-Paczynski toy model. We argue that these results are relatively insensitive to uncertainties in the relevant nuclear physics and to the precise early-time dynamics and ejecta composition. Due to the rapid evolution and low luminosity of NS merger transients, EM counterpart searches triggered by GW detections will require close collaboration between the GW and astronomical communities. NS merger transients may also be detectable following a short-duration Gamma-Ray Burst or blindly with present or upcoming optical transient surveys. Because the emission produced by NS merger ejecta is powered by the formation of rare r-process elements, current optical transient surveys can directly constrain the unknown origin of the heaviest elements in the Universe.

研究の動機と目的

• r過程元素の放射性崩壊によって駆動されるコンパクト天体合体の電磁気的対応体をモデル化すること。
• 核反応ネットワークを用いて放射性加熱を自己整合的に計算することで、過渡現象の光曲線予測の精度を向上させること。
• 核物理学的不確実性および噴出物ダイナミクスの不確実性が最終予測に与える影響を、予測された光度と時間スケールの頑健性を評価することで検証すること。
• 重力波トリガー付きおよびブラインドな光学過渡現象調査におけるこれらの過渡現象の検出可能性を評価すること。
• 観測可能な光学的過渡現象と、宇宙における最も重い元素の天体的起源を結びつけること。

提案手法

• 合体噴出物に生成されたr過程核の崩壊から生じる放射性加熱率を計算するために、核反応ネットワークを用いる。
• 計算された加熱率を一次元モンテカルロ放射移動コードの入力として用い、放射出た光学的光曲線をシミュレートする。
• 噴出物内での時間依存的エネルギー堆積と光子拡散をモデル化し、Vバンドにおける放射束の時間的変化を予測する。
• 光曲線の性質が入力パラメータにどのように依存するかを評価するために、噴出物質量と組成を変化させる。
• Li-Paczynskiの簡易モデルと比較し、有効なfパラメータのスケーリングを定量化する。
• 核反応率の不確実性および初期時刻のダイナミクスの影響が最終予測に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 r過程元素の放射性崩壊によって駆動されるコンパクト天体合体の期待される光学的光曲線はどのようなものか？
• RQ2 核反応率および噴出物組成の不確実性が、予測された光度とピーク時刻に与える感度はどの程度か？
• RQ3 重力波トリガー付きおよびブラインドな光学過渡現象調査におけるこれらの過渡現象の検出可能性は？
• RQ4 予測された光曲線は、超新星に類似した過渡現象を想定したLi-Paczynskiの簡易モデルとどのように異なるか？
• RQ5 現在の光学的調査が、これらの過渡現象の検出を通じて、最も重い元素の天体的起源を制約できるか？

主な発見

• 噴出物質量が10⁻² M☉の場合、光学的過渡現象はVバンドで約3×10⁴¹ erg/s（M_V ≒ -15）の光度に約1日以内にピークに達する。
• 噴出物質量が10⁻³ M☉の低質量の場合、ピーク光度は約1×10⁴¹ erg/s（M_V ≒ -14）に達し、同様に約1日間の時間スケールを示す。
• Li-Paczynskiモデルにおける有効なfパラメータは約3×10⁻⁶と推定され、ややゆっくりと変化し、中程度の明るさの過渡現象であることが示唆される。
• 予測された光曲線は、核反応率および初期時刻の噴出物ダイナミクスの不確実性に対して頑健である。
• ほとんどの現在の調査では、重力波トリガー後の標的追跡がなければ、発光度が低く、変化が速いため検出が困難である。
• これらの過渡現象は、宇宙における最も重い元素のr過程起源を直接観測的に探る手がかりを提供する。