[論文レビュー] Stellar evolution with rotation XIII: Predicted GRB rates at various Z

Raphaël Hirschi, G. Meynet+1 more|ArXiv.org|Jul 14, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 39被引用数 101

ひとこと要約

本稿では、金属量の異なる範囲にわたる回転する質量の大きな星をモデル化し、ガンマ線バースト（GRB）の発生率を予測する。その結果、唯一、低金属量（Z ≈ Z_SMC）で形成され、質量が50 M⊙を超えるWO型のウルフ＝レアット星のみが、コラプサー模型の3つの基準（ブラックホール形成、水素包層の喪失、十分な角運動量）を満たすことが判明した。WO星からの予測されるGRB発生率は観測結果とよく一致するが、すべてのWR星を前身星と仮定するモデルとは一致しない。

ABSTRACT

We present the evolution of rotation in models of massive single stars covering a wide range of masses and metallicities. These models reproduce very well observations during the early stages of the evolution (in particular WR populations and ratio between type II and type Ib,c at different metallicities, see Meynet & Maeder 2005). Our models predict the production of fast rotating black holes. Models with large initial masses or high metallicity end their life with less angular momentum in their central remnant with respect to the break-up limit for the remnant. Many WR star models satisfy the three main criteria (black hole formation, loss of hydrogen-rich envelope and enough angular momentum to form an accretion disk around the black hole) for gamma-ray bursts (GRB) production via the collapsar model (Woosley 1993). Considering all types of WR stars as GRB progenitors, there would be too many GRBs compared to observations. If we consider only WO stars (type Ic supernovae as is the case for SN2003dh/GRB030329, see Matheson et al. 2003) as GRBs progenitors, the GRBs production rates are in much better agreement with observations. WO stars are produced only at low metallicities in the present grid of models. This prediction can be tested by future observations.

研究の動機と目的

• 星の回転と金属量が高速回転ブラックホールおよびGRB前身星の生成に与える影響を調査すること。
• 予測されたGRB発生率と観測されたGRB発生率の不一致を解消するため、どのWR星種が実際にGRB前身星として妥当かを特定すること。
• 角運動量の保持と包層の喪失を分析することで、単一の質量の大きな星がコラプサー模型に適合するかを検証すること。
• 金属量がWO星形成に果たす役割と、GRB宿主銀河の性質に与える影響を検討すること。
• 今後のモデルに磁気ブレーキングを組み込む際の基準となるように、GRB発生率予測のベンチマークを提供すること。

提案手法

• 回転混合および金属量依存の質量損失を含む最新の物理法則を適用したジェネヴァ星の進化コードを用いた。
• 主系列から核心崩壊に至るまでの角運動量の進化を追跡し、中心残骸のスピンおよび回転破壊限界に注目した。
• 表面組成と進化段階に基づき、WR星をWN型、WC型、WO型に分類し、GRB前身星としての可能性を評価した。
• ブラックホール形成、水素包層の喪失、十分な角運動量という3つのコラプサー基準を満たすモデルを特定することで、GRB発生率を計算した。
• 全WR星とWO星のみを前身星として仮定した場合の予測GRB発生率を観測データと比較し、整合性を評価した。
• 初期回転速度と角運動量保存を考慮し、WO星形成の金属量依存性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コラプサー模型に従うと、どの種類のウルフ＝レアット星が長軟性ガンマ線バーストの実現可能な前身星となるか？
• RQ2 全WR星を前身星と仮定した場合の予測GRB発生率と観測された発生率を比較すると、その差はなぜ生じるのか？
• RQ3 WO星形成の金属量依存性は何か？ また、GRB発生率予測にどのように影響を与えるか？
• RQ4 磁気ブレーキングを含むモデルでは、なぜGRBに必要な角運動量を十分に保持できないのか？ これはWO星とはどのように異なるか？
• RQ5 二重星相互作用がなければ、単一の質量の大きな星がWO星のみを前身星としてGRBを生成できるか？

主な発見

• モデルでは、唯一、低金属量（Z ≈ Z_SMC）で形成されたWO型ウルフ＝レアット星が、GRB生成のための3つのコラプサー模型基準を満たすことが判明した。
• 全WR星を前身星と仮定した場合のGRB発生率は、観測値を大幅に上回り、すべてのWR星がGRB前身星とはなり得ないことが示された。
• WO星のみを前身星と仮定した場合、予測されるGRB発生率は観測データと極めてよく一致する。
• WO星はモデル上、低金属量でのみ生成され、観測結果（GRB宿主銀河が金属不足で青色である）と整合的である。
• 初期質量が50 M⊙を超える低金属量（Z ≈ Z_SMC）の星は、中心残骸に十分な角運動量を保持し、GRBを形成できる。
• 磁気ブレーキングは、WO星の短い寿命と赤超巨星段階の欠如により、中性子星を形成する星よりも効果が低く、角運動量の保持がGRB形成に有利に働く可能性がある。