[論文レビュー] Single and binary stellar progenitors of long-duration gamma-ray bursts

Dorottya Szécsi|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、長期間継続するガンマ線バースト（LGRB）の理論的起源をレビューし、崩壊星モデルと磁気星モデルに焦点を当てる。化学的均一的進化によって単一または連星系で形成される、高速回転・エンベロープを有しない大質量星（TWUIN星と呼ばれる）が、LGRB、超新星、重力波源をもたらす主要な候補と特定される。

ABSTRACT

This review describes the most common theories behind long-duration gamma-ray burst progenitors. I discuss two astrophysical scenarios: the collapsar and the magnetar models. According to their requirements, the progenitor should be an envelope-free massive star with a fast rotating, collapsing iron core. Such an object, called a TWUIN star, may be produced by chemically homogeneous evolution either from a massive single star or a massive binary system. Various outcomes of this evolutionary path (e.g. supernova explosions and gravitational wave production) are also mentioned, and directions for future research are suggested. In the era of multi-messenger astronomy, my hope is to present a timely overview on how stellar astrophysicists are searching for progenitor models of long-duration gamma-ray bursts, and what they have found so far.

研究の動機と目的

• 長期間継続するガンマ線バースト（LGRB）起源に関する現在の理論的モデルを統合すること。
• 特に高速回転・水素エンベロープを有しない大質量星である場合にLGRBが形成されるために必要な天体物理学的条件を特定すること。
• 単一および連星系における化学的均一的進化が、TWUIN星の形成に果たす役割を調査すること。
• LGRB起源モデルを多メッセンジャー天文学（重力波および超新星残骸を含む）と結びつけること。
• 大質量星進化およびLGRB起源をモデル化する分野における未解決の研究課題と今後の方向性を特定すること。

提案手法

• 高速回転・鉄コア崩壊を示す大質量星がブラックホールと降着円盤を形成し、相対論的ジェットを発生させる崩壊星シナリオを分析する。
• 非常に強い磁場を有し、高速で回転する中性子星がスピンダウンエネルギーによってLGRBを駆動する磁気星シナリオを検討する。
• ジェットの脱出を可能にするためにエンベロープを有しない大質量星の必要性を検討し、TWUIN星を起源として用いる。
• 単一または連星系における化学的均一的進化の理論を適用し、エンベロープを保持しないままTWUIN星に進化するメカニズムを説明する。
• 詳細な連星進化シミュレーションと集団合成モデルを統合し、LGRB発生率および重力波放射を予測する。
• 低金属量矮星銀河からの観測的制約および多メッセンジャーデータを用いて、起源モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大質量星が長期間継続するガンマ線バーストを生成するためには、どのような天体物理学的条件が必要か？
• RQ2 単一または連星系における化学的均一的進化が、LGRBの起源とされるTWUIN星の形成にどのように寄与するか？
• RQ3 金属量および軌道パラメータは、大質量連星系がLGRBを生成するか、重力波を放射するコンパクト天体を生成するかを決定づけるか？
• RQ4 TWUIN星は初期宇宙の再イオン化にどのように寄与するか？ また、その仮説を検証する観測的シグネチャは何か？
• RQ5 現在の連星進化モデルにおける主な限界は何か？ そして、LGRBおよび重力波起源をよりよく予測するために、どのように改善できるか？

主な発見

• 化学的均一的進化によって形成される高速回転・エンベロープを有しない大質量星（TWUIN星）は、単一および連星系の両方においてLGRBの主要な候補である。
• 崩壊星モデルは、超新星の失敗、ブラックホールの形成、中心部のブラックホール周囲の降着円盤からのジェット生成を要件とする。
• 磁気星モデルは、高速で回転し、非常に強い磁場を持つ中性子星を中核エンジンとし、エネルギーはスピンダウンに由来する。
• 3日未塔の公軌道周期および低金属量の連星系は、化学的均一的進化を経て二重ブラックホール系を形成し、重力波放射を引き起こす。
• このような系における中性子星とブラックホールの合体は、超高輝度X線源を生成する可能性があり、短期間継続するGRBに関連する可能性がある。
• 詳細なシミュレーションにより、連星系における化学的均一的進化は低金属量で優勢であることが示され、LGRBの起源が金属不足環境と関連していることが示唆される。