[論文レビュー] Short Gamma Ray Bursts and their Afterglow Signatures in Dense Stellar Systems

Rion K. Parsons, E. Ramírez-Ruiz+1 more|ArXiv.org|Apr 11, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、球状星団のような密度の高い恒星系で発生する短いガンマ線バースト（SGRB）が、赤色超巨星の風と相互作用することで、後発光の形が歪められることを提案している。これは、観測された高密度環境にもかかわらず、予想される低密度の銀河間媒体（IGM）とは矛盾するというパラドックスを解消するものである。流体力学的シミュレーションにより、恒星風の密度とクラスタのコア構造が爆発波を著しく歪め、エネルギーと風の性質に依存する非球形でジェットに似た残骸を形成することが示された。この現象は、前身天体の環境を特定するための重要な診断手法となる。

ABSTRACT

The hypothesis that short GRBs arise from the coalescence of binary compact stars has recently gained support. With this comes the expectation that the afterglow should bear the characteristic signature of a tenuous intergalactic medium (IGM). However, fits to the observational data suggest that some detected afterglows arise in relatively dense gaseous environments rather than in the low density IGM. Here we show that considering the effect of red giant winds in the core of a star cluster may resolve this paradox if short GRB progenitors are contained in such an environment and close encounters rather than pure gravitational wave emission brings the compact objects together. Clear confirmation is provided here of the important notion that the morphology and visibility of short gamma-ray burst remnants are determined largely by the state of the gas in the cluster's core.

研究の動機と目的

• 短いガンマ線バースト（SGRB）の観測された高密度の後発光環境と、予想される低密度の銀河間媒体（IGM）との間の矛盾を解消すること。
• 球状星団コアに存在する赤色超巨星の恒星風が、SGRB後発光の形態と観測可能性に与える影響を調査すること。
• 密度の高い恒星系で動的に形成された連星系が、観測された高密度環境と整合する後発光を生成できるかどうかを検証すること。
• クラスターコアのガス密度と風の性質が、SGRB残骸の進化に果たす役割を評価すること。

提案手法

• 赤色超巨星の定常的かつ球対称な風解を用いて、球状星団コアの周囲爆発媒体をモデル化すること。
• 式 (3) を用いて、質量放出率 ($\dot{M}_{\rm w}$)、風速度 ($v_{\rm w}$)、および恒星数密度 ($N_\ast$) からクラスターコア内の電子密度を推定すること。
• 球状星団コアの密度が高く不均一な媒体へのGRB噴出物の拡張を3次元流体力学的シミュレーションで行うこと。
• 個々の星からの密度不連続性との相互作用を含めた、爆発波の進化、衝撃波の形成、減速、を追跡すること。
• 古典的でSedov-Taylor型の超新星残骸と、孤立したIGM状況とのSGRB残骸の力学的挙動を比較すること。
• 圧力の等高線と形態の進化を分析し、エネルギー含量と風の性質が後発光の可視性と構造に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された短いガンマ線バーストの高密度後発光環境は、銀河間媒体ではなく、密度の高い恒星系によって説明可能か？
• RQ2 球状星団コアにおける赤色超巨星の風が、SGRB爆発波の形態と進化にどのように影響を与えるか？
• RQ3 GRB噴出物のエネルギー含量が、残骸における歪みの度合いや非球形構造の程度にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 恒星風の空間的分布と密度が、観測可能な後発光ライトカーブの形作りに果たす役割は何か？
• RQ5 SGRB後発光に吸収シグネチャが検出された場合、それは動的に形成された連星系の前身天体を示す証拠となるか？

主な発見

• 球状星団コア内の電子密度は $n_\perp \sim 80\, N_{\ast,2}^{2/3} r_{\rm c,-1}^{-2} v_{\rm w,1}^{-1} \dot{M}_{\rm w,-7} \mu_e^{-1} \, \text{cm}^{-3}$ に達し、銀河間媒体の密度を著しく上回る。
• 高密度なクラスターコアにおける爆発波は、不均一な風密度のため、すくい込みや星の周囲を包み込むような顕著な歪みを示す。これは、断熱的かつ等方的噴出物に対しても同様に見られる。
• 2つの拡張するシェルが衝突するまでの間、残骸の形態は著しく非球形のままであり、衝突時間はエネルギー含量に比例する。エネルギーが高いほど衝突が遅れ、非球形な進化が長く続く。
• 低エネルギー系では、残骸が急速に減速し、約 $2.3 \times 10^8$ 秒で球形に近づくが、高エネルギー系ではコア内部まで非球形構造を維持する。
• 赤色超巨星からの複数の密度不連続性が、爆発波を星の周囲に包み込み、初期の噴出物の非対称性を打ち消す複雑な圧力等高線を形成する。
• シミュレーションにより、SGRB残骸の可視性と形態は、クラスターコア内のガス状態に大きく依存しており、後発光観測が前身天体環境を特定する重要なプローブであることが確認された。