[論文レビュー] Short gamma-ray bursts from tidal capture and collisions of compact stars in globular clusters

William H. Lee, E. Ramírez-Ruiz+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、重力波放出によって駆動される二重星合体とは異なり、球状星団の中心部におけるコンパクト星の潮汐捕獲および衝突が、短いガンマ線バースト（SGRBs）を発生させ得ると提案している。詳細な恒星動力学および流体力学的モデリングを通じて、これらの事象が観測されたSGRBの発生率および赤方偏移分布と一致する十分なエネルギーと発生率を生じうることを示している。

ABSTRACT

A new mechanism is proposed by which short gamma-ray burst (SGRB) production can be achieved. In this new paradigm, it is supposed that the compact objects contained within a globular cluster (GC) interact through close encounters, rather than being driven together by pure gravitational wave emission in existing binaries. The corresponding event rates within galaxies have previously been shown to be much too low to be of interest. Here we perform a careful assessment of the relevant processes and stellar dynamics within GCs as these undergo core collapse over cosmic time. We show that such events are frequent enough in their cores to be consistent both with current observational rate demands for SGRB production and with the widening range of observed redshifts of the associated hosts. Precise modeling of the hydrodynamics allows for a detailed description of the encounter, and our calculations show that there is in principle no problem in accounting for the global energy budget of a typical SGRB. The particulars of each collision, however, are variable in several aspects, and can lead to interesting diversity. First and most importantly, the characteristics of the encounter are highly dependent on the impact parameter. This is in contrast to the merger scenario, where the masses of the compact objects dictate a typical length and luminosity scale for SGRB activity. Second,

研究の動機と目的

• 球状星団の中心部におけるコンパクト星の潮汐捕獲および衝突が、観測可能な発生率で短いガンマ線バースト（SGRBs）を生成できるかどうかを調査すること。
• このような動的衝突によって、典型的なSGRBのエネルギー収支が説明可能かどうかを評価すること。
• 衝突パrameterおよび衝突幾何学的配置がSGRBの特徴に与える影響を、標準的な合体シナリオと対比して評価すること。
• これらのプロセスによる発生率が、現在のSGRBの宿主銀河の赤方偏移および総発生率に関する観測的制約と整合しているかどうかを特定すること。

提案手法

• 核崩壊を経験する球状星団内の恒星動力学をモデリングし、コンパクト物体の衝突率を推定すること。
• コンパクト星同士の接近衝突における流体力学的相互作用をシミュレートし、エネルギー放出および流出特性を評価すること。
• 衝突パrameterおよび星の質量に依存するSGRBの明るさおよび時定数の依存性を計算すること。
• 数値シミュレーションを用いて全エネルギー出力を評価し、観測された典型的なSGRBのエネルギー収支と比較すること。
• 核崩壊の進化を考慮した星団集団全体の統合を通じて、銀河内での発生率を評価すること。
• 予測されたSGRB宿主の赤方偏移分布を観測結果と比較し、整合性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球状星団の中心部におけるコンパクト星の潮汐捕獲および衝突が、観測と一致するエネルギー的特性を持つSGRBを生成できるか？
• RQ2 コンパクト星の衝突における衝突パrameterが、その後のSGRBの明るさおよび持続時間にどのように影響するか？
• RQ3 このような衝突による予測発生率が、観測されたSGRB宿主の発生率および赤方偏移分布と整合しているか？
• RQ4 このような衝突の動的および流体力学的性質は、二重星合体シナリオとどのように異なるか？
• RQ5 典型的なSGRBのエネルギー収支は、このような衝突で放出される運動エネルギーによって完全に説明可能か？

主な発見

• 球状星団の中心部におけるコンパクト星の潮汐捕獲および衝突は、観測と一致するエネルギー的特性を持つSGRBを生成できる。
• 各イベントのエネルギー出力は衝突パrameterに強く依存し、SGRBの性質に固有の多様性が生じる。
• これらの動的衝突による発生率は、現在の観測的制約であるSGRB発生率および赤方偏移分布と一致する十分な高さに達する。
• 流体力学的シミュレーションにより、典型的なSGRBの全エネルギー収支がこのような衝突によって説明可能であることが確認された。
• 特にコンパクト物体密度の高い環境では、二重星合体とは異なったSGRB生成メカニズムとして、本メカニズムは有効な代替手段を提供する。
• 衝突パrameterによる結果のばらつきが、観測された多様性と整合するSGRBの明るさおよび持続時間の範囲を生じさせる。