[論文レビュー] Short GRBs with small opening angles: implications on local neutron star merger rate and GRB/GW association

Zhi-Ping Jin, Xiang Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、GRB 150424A や GRB 160821B を含む9つの短時間ガンマ線バースト（SGRBs）の遅発光 afterglow を分析し、ジェット開口角（$\theta_{\text{jet}} \sim 0.1$ rad）を測定した。これにより、保守的な局所中性子星合体率推定値として $\sim 130~{\rm Gpc^{-3}~yr^{-1}}$ を得たが、実際の値は10倍まで高くなる可能性がある。さらに、構造的ジェットモデルがGRB/GW連関確率を顕著に向上させること（最大 $\sim 10\%$）を示し、LIGO/Virgo による検出可能性が向上することを示した。

ABSTRACT

Short duration GRBs (SGRBs) are widely believed to originate from neutron star mergers and the merger rate can be estimated via the observed GRB rate with the correction of the outflow half-opening angles. The jet breaks in the afterglow lightcurves of SGRBs, rarely detected so far, are crucial for such an approach. In this work we report the detection of jet decline behaviors in the late optical afterglows of GRB 150424A and GRB 160821B and find $ heta_{ m j}\sim 0.1$ rad. Together with the four events (GRB 051221A, GRB 090426A, GRB 111020A and GRB 130603B) reported before 2015 and the other three identified recently (GRB 050709, GRB 060614 and GRB 140903A), we thus have a sample consisting of nine SGRBs (including one long-short event) with a reasonably estimated $ heta_{ m j}$. In particular, three events in the sample are local (i.e., their redshifts are $\leq 0.2$), with which we can conservatively estimate the local neutron star merger rate density to be $\sim 130~{ m Gpc^{-3}~yr^{-1}}$, and the real value may be $\sim 10$ times higher, suggesting a very promising detection prospect of advanced LIGO/Virgo in their full sensitivity runs. Inspired by the typical $ heta_{ m j}\sim 0.1$ rad found in the current sample, we further investigate whether the off-beam GRBs (in the uniform jet model) or the off-axis events (in the structured jet model) can significantly enhance the GRB/GW association or not. For the former the enhancement is at most moderate, while for the latter the enhancement can be much greater and a high association probability of $\sim 10\%$ is possible.

研究の動機と目的

• 測定済みのジェット開口角を用いた観測されたSGRB afterglow 衰減から、局所中性子星合体率を推定すること。
• 均一なジェットと構造的ジェットの幾何的形状が、SGRB と関連する重力波（GW）検出可能性に与える影響を評価すること。
• GRB 群統計に基づき、先進的LIGO/Virgo が中性子星合体からのGW信号を検出可能な可能性を評価すること。

提案手法

• 9つのSGRBの遅発光光学 afterglow 光曲線を分析し、ジェットの減速を示すジェットブレイク特徴を同定する。
• 均一ジェットモデルと構造的ジェットモデルを用いて、afterglow 衰減行動を解釈し、$\theta_{\text{jet}}$ を推定する。
• 観測されたSGRB率を $\theta_{\text{jet}}$ と赤方偏移情報で補正し、局所合体率密度を推定する。
• オフアキシス検出確率を用いて、均一モデルと構造的モデルの両方でGRB/GW連関確率を比較する。
• 3つの局所SGRB（$z \leq 0.2$）を組み込むことで、保守的な局所合体率の下限を導出する。
• 構造的ジェット状況におけるオフアキシス放射が、GRB/GW一致率をどの程度向上させるかを定量的モデリングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定済みのジェット開口角を有するSGRBから推定される局所中性子星合体率密度は何か？
• RQ2 均一ジェットモデルと構造的ジェットモデルの選択が、予測されるGRB/GW連関確率に与える影響は何か？
• RQ3 構造的ジェットモデルにおけるオフアキシスSGRBは、一致する重力波の検出可能性をどの程度高めるか？
• RQ4 複数のSGRBで観測された $\theta_{\text{jet}} \sim 0.1$ rad は、真の合体率と検出可能性にどのような示唆を与えるか？
• RQ5 保守的推定値と潜在的な欠測の可能性を考慮した場合、真の局所合体率の上限は何か？

主な発見

• 赤方偏移 $z \leq 0.2$ の3つの局所SGRBを用いて、局所中性子星合体率密度は $\sim 130~{\rm Gpc^{-3}~yr^{-1}}$ と推定された。
• 真の局所合体率は保守的推定値の10倍まで高くなる可能性があり、先進的LIGO/Virgo による高頻度検出を示唆する。
• サンプルで観測された典型的な $\theta_{\text{jet}} \sim 0.1$ rad は、オフビームまたはオフアキシスSGRBの割合が高いことを支持する。
• 均一ジェットモデルでは、オフビーム放射によるGRB/GW連関確率の向上は限定的である。
• 構造的ジェットモデルでは、連関確率が最大 $\sim 10\%$ にまで上昇し、均一モデルよりも顕著に高い。
• 結果から、構造的ジェットモデルにおけるオフアキシスSGRBは、GRB とGWの共同検出の有望候補であると示唆される。