[論文レビュー] Single star progenitors of long gamma-ray bursts I: Model grids and redshift dependent GRB rate

Sung-Chul Yoon, N. Langer+1 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jun 26, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 51被引用数 248

ひとこと要約

本稿では、コラプサー模型による長期間ガンマ線バースト（GRB）形成の条件を特定するために、異なる金属量における質量が大きく回転する星の進化モデルを提示する。予測によると、GRBは主に低金属量環境（Z ≤ 0.004）で発生し、約50%が赤方偏移 z > 4 で発生すると予想される。また、全宇宙で平均してGRBと超新星の比率は約1/200であり、低赤方偏移では1/1250に減少する。

ABSTRACT

We present grids of massive star evolution models at four different metallicities (Z=0.004, 0.002, 0.001, 0.00001). The effects of rotation on the stellar structure and the transport of angular momentum and chemical elements through the Spruit-Tayler dynamo and rotationally induced instabilities are considered. After discussing uncertainties involved with the adopted physics, we elaborate the final fate of massive stars as a function of initial mass and spin rate, at each considered metallicity. In particular, we investigate for which initial conditions long gamma-ray bursts (GRBs) are expected to be produced in the frame of the collapsar model. Then, using an empirical spin distribution of young massive metal-poor stars and a specified metallicity-dependent history of star-formation, we compute the expected GRB rate as function of metallicity and redshift based on our stellar evolution models. The GRB production in our models is limited to metallicities of Z \lsim 0.004, with the consequence that about 50 % of all GRBs are predicted to be found at redshifts above z = 4, with most supernovae occurring at redshifts below z\simeq 2.2. The average GRB/SN ratio predicted by our model is about 1/200 globally, and 1/1250 at low redshift. Future strategies for testing the considered GRB progenitor scenario are briefly discussed.

研究の動機と目的

• 単一の質量星がコラプサー模型によって長期間ガンマ線バーストを生成する条件を特定すること。
• 金属量と回転が質量星の最終的運命に与える影響を調査すること。
• 実証的回転速度分布と星形成歴を用いて、赤方偏移に依存するGRB発生率を計算すること。
• 宇宙時間にわたるGRB/超新星比を制約すること。
• 長期間GRBの単一星系前身星シナリオを検証するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 初期質量が15から100 M☉の間の星の進化モデルグリッドを、金属量Z = 0.004, 0.002, 0.001, および0.00001の4つの値について構築する。
• スプルート＝テイラー磁気対流と回転不安定性を用いて回転に起因する混合を組み込み、角運動量および元素輸送をモデル化する。
• 若年で金属量が低い星の実証的回転速度分布を用いて、モデルにおける初期回転速度を決定する。
• 金属量依存の星形成歴を適用し、GRB発生率の赤方偏移による進化を計算する。
• 赤方偏移単位あたりのGRB発生率を計算し、観測的制約と比較する。
• モデルの結果を用いて、赤方偏移および金属量に依存するGRB/超新星比を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コラプサー模型において、異なる金属量で長期間GRB形成に至る初期質量および回転速度条件は何か？
• RQ2 金属量が単一の質量星におけるGRB生成の可能性にどのように影響するか？
• RQ3 星の進化モデルと星形成歴に基づいて、長期間GRBの予測される赤方偏移分布は何か？
• RQ4 宇宙時間にわたるGRB/超新星比の予測は何か？また、金属量に応じてどのように変化するか？
• RQ5 回転に起因する混合および角運動量輸送は、低金属量環境における質量星の最終的運命にどのように影響するか？

主な発見

• GRB生成は金属量Z ≤ 0.004に強く制限され、それ以上の金属量ではほとんど発生しない。
• 全GRBの約50%が赤方偏移z > 4で発生すると予測され、高赤方偏移に強いバイアスがあることが示唆される。
• 全宇宙におけるGRB/超新星比は約1/200と予測され、低赤方偏移（z ≲ 2.2）では1/1250に減少する。
• 大部分の核崩壊超新星は赤方偏移z ≃ 2.2未満で発生するが、GRBははるかに高い赤方偏移で顕著に多く発生する。
• 回転に起因する混合および角運動量輸送は、星が相対論的ジェットを伴うブラックホールを形成するかどうかを決定する上で重要な役割を果たす。
• モデルは、低金属量環境がGRB生成を促進するため、高赤方偏移でピークを示す二峰性のGRB発生率分布を予測する。