[논문 리뷰] A Possible Model for the Supernova/Gamma-Ray Burst Connection

X. Y. Wang, Zi-Gao Dai외 3명|arXiv (Cornell University)|1999. 10. 02.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 초신성(SNe)과 감마선 폭발(그림자) 사이의 연결 고리를 제안하며, 초신성 폭발 이후 며칠 이내에 거대하고 빠르게 회전하는 중성자별이 이상한 별로 전환되는 모델을 제시한다. 이 과정에서 발생하는 초고속 상대론적 화염불은 낮은 양성자 오염으로 인해 가속화되며, 그로 인해 SN 제트 축을 따라 감마선 폭발과 그 이후의 빛을 내는 현상이 발생한다. 이와 동시에 상당한 에너지 방출이 일어나, SN1998bw와 유사한 밝은 초신성도 가능하게 된다.

ABSTRACT

Conversion from neutron stars to strange stars as a possible mechanism of cosmological gamma-ray bursts (GRBs) has been discussed in previous works, although the existence of strange stars is still an open question. On the basis of this mechanism, we here outline an explanation of the connection between supernovae (SNe) and GRBs, which has got increasing evidence recently. An asymmetric but normal SN explosion leaves a massive ($\geq1.8{ m M_\odot}$) and rapidly rotating neutron star, which then converts to a strange star few days later, due to its rapid spindown. The accompanied fireball, which can be accelerated to ultra-relativistic velocity ($Γ_0\sim 100$) due to the very low baryon contamination of the strange star, flows out along the direction of the high-velocity SN jet and subsequently produces a GRB and the following low energy afterglows by interacting with the surrounding stellar wind. We will also expect a very luminous supernova like SN1998bw, if a large fraction of the conversion energy finally turns into the kinetic energy of the supernova ejecta.

연구 동기 및 목표

• 장수 감마선 폭발(GRBs)과 중심 붕괴 초신성, 예를 들어 SN1998bw 사이의 관측된 연결 고리를 설명하기 위해.
• 초신성 폭발 이후에 거대하고 빠르게 도는 중성자별이 어떻게 GRB를 유도할 수 있는지에 대한 메커니즘을 설명하기 위해.
• 이상한 별 형성이 초고속 상대론적 분출과 그 이후의 GRB 복사에 어떻게 기여하는지 탐구하기 위해.
• 에너지 전달 메커니즘을 통해 GRB 연관 사건에서 관측된 밝은 초신성 성분을 설명하기 위해.

제안 방법

• 비대칭 초신성 폭발에서 생성된 거대한 중성자별(≥1.8 M☉)이 며칠 내로 자전 감속에 의해 이상한 별로 전환된다고 제안한다.
• 이 전환 과정이 극히 낮은 양성자 오염으로 인해 초고속 상대론적 화염불 복사를 유도한다고 모델링한다.
• 화염불이 SN 제트 축을 따라 빛의 방향으로 빛나며, 주변 항성 바람과의 상호작용으로 인해 GRB가 발생한다고 가정한다.
• 상대론적 유체역학을 사용하여 화염불이 로렌츠 인자 Γ₀ ~ 100 수준으로 가속화되는 과정을 기술한다.
• 이상한 별 형성에서 발생하는 에너지를 초신성의 비등방성 물질로 전달하여 밝은 SNe를 설명한다.
• SN1998bw의 관측 제약 조건을 적용하여 모델의 밝기 및 시간 스케일 예측을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초신성 폭발이 후속 항성 전환을 통해 어떻게 감마선 폭발을 유도할 수 있는가?
• RQ2 중성자별에서 이상한 별로의 전환 과정에서 Γ₀ ~ 100 수준의 초고속 상대론적 화염불이 어떻게 형성될 수 있는가?
• RQ3 어떤 GRB는 왜 밝은 초신성과 연관되어 있으며, 에너지는 어떻게 비등방성 물질로 전달되는가?
• RQ4 이 모델에서 낮은 양성자 오염이 상대론적 분출을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 관측된 후광 빛의 변화 곡선은 기존 항성 바람과의 상호작용에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 중성자별에서 이상한 별로의 전환이 초신성 이후 며칠 후에 발생하여 GRB의 지연된 촉발 메커니즘을 제공한다.
• 극히 낮은 양성자 오염으로 인해 발생하는 화염불은 약 100 수준의 로렌츠 인자를 달 đạt한다.
• GRB와 후광은 상대론적 분출이 주변 항성 바람과 상호작용함으로써 발생한다.
• 전환 과정에서 발생하는 에너지의 상당 부분이 초신성의 비등방성 물질의 운동 에너지로 전달되어, SN1998bw와 유사한 밝은 사건을 설명할 수 있다.
• 동일한 원천 메커니즘으로 인해 장수 GRB와 Ic형 초신성 사이의 관측된 연결 고리를 자연스럽게 설명할 수 있다.
• 모델은 GRB 후광 및 관련 초신성의 관측된 시간 스케일과 에너지 수준과 일치한다.