[논문 리뷰] Collapse of rotating stars in the Universe and the cosmic gamma ray bursts

А. И. Богомазов, V. Lipunov외 1명|arXiv (Cornell University)|2006. 07. 14.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 2인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 장수 및 단수 감마선 폭발(GRBs)이 각각 밀도 높은 이중성에서 거대한 월프-라이에트 별의 회전하는 붕괴와 중성자별(NS) 또는 블랙홀(BH)의 병합으로 기인하며, 이로 인해 빠르게 스핀하는 킬러 블랙홀 또는 중성자별과 거대한 순환 디스크가 형성된다고 제안한다. 저자들은 시나리오 기계(Scenario Machine)를 사용하여 은하계 내 GRB 사건 빈도를 추정하여, NS+NS 및 NS+BH 병합, 그리고 WR 별 붕괴가 타당한 GRB 원천으로서, 연간 약 10⁻⁴에서 10⁻⁵의 빈도로 발생함을 확인하였으며, 이는 빔 집중을 고려한 관측된 GRB 빈도와 일치한다.

ABSTRACT

We analyze here late evolutionary stages of massive (with initial mass higher than 8 masses of the Sun) close binary stars. Our purposes are to study possible mechanisms of gamma ray bursts (GRBs) origin. We suppose in this paper that GRB phenomenon require formation of massive (approx. 1 M_sun) compact (approx. 10 km) accretion disks around Kerr black holes and neutron stars. Such Kerr black holes are products of collapse of Wolf-Rayet stars in extremely close binaries and merging of neutron stars with black holes and neutron stars with neutron stars in close binary systems. Required accretion disks also can be formed around neutron stars which were formed during collapse of accreting oxygen-neon white dwarfs. We have estimated frequencies of events which lead to a rotational collapse concerned with formation of rapidly rotating relativistic objects in the Galaxy. We made our calculations using the "Scenario Machine".

연구 동기 및 목표

• 장수 및 단수 감마선 폭발(GRBs)의 천체물리적 메커니즘을 거대한 이중성 별의 진화 맥락에서 조사하기.
• 밀도 높은 이중성에서의 월프-라이에트 별의 회전 붕괴와 밀도 높은 천체 병합이 GRB 형성에 필요한 조건을 만족하는지 판단하기.
• 세밀한 이중성 진화 모델링을 사용하여 이러한 GRB 원천 사건의 은하계 발생 빈도를 추정하기.
• 공전 주기, 질량 비율, 공통-envelope 효율성, 충격 속도와 같은 핵심 매개변수들이 GRB 발생 빈도에 미치는 영향 평가하기.

제안 방법

• 저자들은 '시나리오 기계'를 사용하여, 월프-라이에트 별과 밀도 높은 천체 이중성에 초점을 맞춘 거대한 밀접 이중성 시스템의 진화를 시뮬레이션한다.
• 공전 주기가 짧은 거대한 별(M₀ ≥ 8M☉)의 회전 붕괴를 모델링하며, 킬러 블랙홀 또는 중성자별과 거대한 순환 디스크가 형성된다고 가정한다.
• 단수 GRB의 경우, 중력파에 의해 유도되는 공전 수축을 통한 NS+NS 및 NS+BH 병합을 평가하며, 매개변수화된 효율성(α_CE)을 포함한 공통-envelope 진화를 통합한다.
• 다양한 항성 풍 모델(A, C)과 질량 비율 분포(α_q)를 적용하여 병합 및 붕괴 빈도에 미치는 영향 평가한다.
• 밀도 높은 잔여체에 대한 충격 속도(v₀)를 포함하여 관측된 GRB 빔 집중성과 사건 빈도 일치 여부를 시험한다.
• 은하계 별 인구를 통합하여 사건 빈도를 추정하고, 빔 집중(θ ~ 0.1 sr)을 고려한 관측된 GRB 빈도와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 높은 이중성에서의 월프-라이에트 별의 회전 붕괴에 기인한 장수 GRB의 예상 은하계 빈도는 얼마인가?
• RQ2 밀도 높은 이중성에서의 NS+NS 및 NS+BH 병합에 기인한 단수 GRB의 기대 빈도는 얼마인가?
• RQ3 공통-envelope 효율성(α_CE), 질량 비율(α_q), 임계 공전 주기(P_crit)의 변화가 예상되는 GRB 원천 빈도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 중성자별 충격 속도(v₀)가 병합 빈도가 관측된 GRB 빈도와 일치하는 데에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 원천 시나리오가 관측된 등방성 및 빛의 세기 함수를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 임계 공전 주기가 1일이고 α_q = 2, α_CE = 0.5일 경우, 밀도 높은 이중성에서의 월프-라이에트 별의 회전 붕괴에 의한 장수 GRB 원천의 추정 빈도는 약 3.2×10⁻⁶ yr⁻¹이다.
• 표준 조건(항성 풍 A, α_q = 0, v₀ = 50 km/s)에서 NS+NS 병합 빈도는 약 7.3×10⁻⁵ yr⁻¹이며, α_q = 2일 경우 약 4×10⁻⁴ yr⁻¹로 증가한다.
• 표준 조건에서 NS+BH 병합 빈도는 약 6.5×10⁻⁵ yr⁻¹이며, 높은 충격 속도에서는 크게 감소한다(예: v₀ = 300 km/s일 경우 약 9.8×10⁻⁶ yr⁻¹).
• 산소- neon 백색왜성 병합의 빈도는 상당히 높다(ONe+CO 기준 약 1.1×10⁻³ yr⁻¹), 그러나 AIC가 발생하지 않는 한 주요 GRB 원천으로 간주되지 않는다.
• GRB 원천 모델이 타당성을 유지하기 위해서는 충격 속도가 약 100 km/s 이상이 되는 것을 배제해야 하며, 그렇지 않으면 관측 가능한 병합 빈도가 관측된 GRB 빈도 이하로 감소하기 때문이다.
• 임계 공전 주기가 ≤0.5일일 경우, 모든 WR-별 붕괴 시나리오에서 모델상으로 GRB 사건이 0건으로 나타나며, 이는 P_crit ≈ 1–3일이 장수 GRB 생성에 필수적임을 시사한다.