[論文レビュー] Revisiting black hole hyperaccretion in the center of gamma-ray bursts for the lower mass gap

Huimin Qu, Tong Liu|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 84被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、ガンマ爆発（GRB）中心エンジンにおけるブラックホール（BH）ハイパーアクレーショングループが、コンパクト物体質量関数における下位質量ギャップ（2–5 M⊙）を説明できるかどうかを調査する。観測されたGRBデータとニュートリノ対消滅およびブランドフォルト＝ツナエック（BZ）ジェット機構のモデル化を通じて、ニュートリノ駆動ハイパーアクレーショングループが初期質量3 M⊙のBHを、長期間GRB（LGRB）の50％以上でギャップを超えて成長させられることを明らかにした。特にSN関連のないケースにおいて顕著であり、BZ機構は効果を示さない。NS-NSまたはNS-BH合体から生じるSGRBでは、初期BH質量が上限に近い場合を除き、ギャップから脱出できない。

ABSTRACT

The ultrarelativistic jets triggered by neutrino annihilation processes or Blandford-Znajek (BZ) mechanisms in stellar-mass black hole (BH) hyperaccretion systems are generally considered to power gamma-ray bursts (GRBs). Due to the high accretion rate, the central BHs might grow rapidly on a short timescale, providing a new way to understand "the lower mass gap" problem. In this paper, we use the BH hyperaccretion model to investigate BH mass growth based on observational GRB data. The results show that (i) if the initial BH mass is set as $3~M_\odot$, the neutrino annihilation processes are capable of fueling the BHs to escape the lower mass gap for more than half of long-duration GRBs (LGRBs), while the BZ mechanism is inefficient on triggering BH growths for LGRBs; (ii) the mean BH mass growths in the case of LGRBs without observable supernova (SN) association are much larger than these in the case of LGRBs associated with SNe for both mechanisms, which imply that more massive progenitors or lower SN explosion energies prevail throughout the former cases; (iii) for the short-duration GRBs, the mean BH mass growths are satisfied with the mass supply limitation in the scenario of compact object mergers, but the hyperaccretion processes are unable to rescue BHs from the gap in binary neutron star (NS) mergers or the initial BH mass being $3~M_\odot$ after NS-BH mergers.

研究の動機と目的

• GRB中心エンジンにおけるBHハイパーアクレーショングループが、コンパクト物体質量関数における下位質量ギャップ問題を解消できるかどうかを調査すること。
• ニュートリノ対消滅およびBZ機構が、GRB中心エンジン活動中のBH質量成長に果たす役割を評価すること。
• BHが2–5 M⊙の質量ギャップから脱出可能なGRBの条件（例：SN関連、継続時間、前身星質量）を特定すること。
• GRBハイパーアクレーショングループが、質量の大きな恒星質量BHの形成に果たす貢献を評価すること。

提案手法

• エネルギー保存則および角運動量保存則を用いたBH質量およびスピンの進化モデル化（式(1)〜(3)）。BHスピンa∗に依存する準安定軌道パラメータを用いる。
• 式(4)〜(5)を用いてBZジェット出力の組み込み。ΩF = ΩH/2を仮定し、LBZは10^49〜10^51 erg s⁻¹の範囲を想定。
• 式(6)を用いて、赤方偏移z、ジェット半開口角θj、等方的エネルギーEγ,iso、運動エネルギーEk,isoに基づき、GRBジェットの輝度を推定。
• 観測されたGRBサンプルデータ（T90、赤方偏移、等方的エネルギー）を用いて、降着率および時間依存BH進化の制約を加える。
• LGRB（SN関連有無を含む）およびNS-NSまたはNS-BH合体から生じるSGRBの異なるGRB亜型における平均BH質量成長を計算。
• GRB光曲線から導出された時間依存降着率プロファイルを用いて、中心エンジン活性期間中のBH成長をシミュレート。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長期間GRB（LGRB）において、BHハイパーアクレーショングループのニュートリノ対消滅が、初期質量3 M⊙のBHを下位質量ギャップを超えて成長させられるか。
• RQ2 LGRBにおける超新星（SN）関連の有無が、ハイパーアクレーショングループによるBH質量成長に与える影響は何か。
• RQ3 ブランドフォルト＝ツナエック（BZ）ジェットが、LGRBおよび短期間GRB（SGRB）におけるBH質量成長にどの程度貢献できるか。
• RQ4 NS-NSまたはNS-BH合体から形成されたBHが、ハイパーアクレーショングループによって下位質量ギャップから脱出可能か。また、どのような初期条件が必要か。
• RQ5 ジェット開口角および後光活動が、総合的なBH質量成長および質量ギャップからの脱出にどのように影響するか。

主な発見

• 初期質量3 M⊙のBHを有するLGRBでは、ニュートリノ対消滅が50％以上のケースで、下位質量ギャップを超えてBHを成長させられる。特にSN関連のないケースで顕著である。
• SN関連のないLGRBではBH質量成長が顕著に高い（a∗,0 = 0.5の場合、平均成長量は約5.8 M⊙）一方、SN関連LGRBでは低い（平均成長量は約2.1 M⊙）ため、より質量の大きな前身星または低い爆発エネルギーが関与していると示唆される。
• Blandford-Znajek機構はLGRBにおけるBH質量成長にほとんど寄与せず、最適条件でも平均成長量が0.16 M⊙未満にとどまる。
• NS-NS合体から生じるSGRBでは、ハイパーアクレーショングループがBHを下位質量ギャップから救うことはできず、平均成長量はわずか約0.23 M⊙にとどまる。
• NS-BH合体では、初期BH質量が5 M⊙に近い場合に限り、ギャップから脱出可能である。それ以外の場合は成長が不十分である。
• 結果は下限にすぎない。ディスクからの噴流がニュートリノ放射度および磁場強度を低下させ、降着駆動力を弱めるためである。