[논문 리뷰] Gamma-ray bursts and density evolution of neutron star binary mergers

Philippe Bagot, Simon Portegies Zwart외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 02. 09.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 인구 합성과 은하 형성 역사에 기반하여 중성자별 이중성의 천체적 융합률 밀도를 모델링하여, z < 2 범위에서 n_c(z) ∝ (1+z)^{1.5–2}의 형태를 띠며, 감마선 폭발(GRB) 원천의 적색편이 진화와 일치함을 보여준다. 이는 저적색편이에서 밝은 GRB가 주로 나선은하에서 기인할 가능성이 있으며, 어두운 고적색편이 GRB는 주로 타원은하에 존재하며, 원천 위치가 그 은하로부터 최대 1 Mpc 정도 떨어져 있을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The evolution of the comoving cosmic merger-rate density of neutron star binaries n_c(z) is calculated using a distribution of their merging times provided by population-synthesis computations of binary stars. We adopt an exponential law for the star formation rate with various timescales for different morphological types of galaxies. For elliptical galaxies also an initial burst of star formation, lasting one Gyr, is considered. The resulting n_c(z) of most models agree with the form n_c(z) \propto (1+z)^{1.5-2} for z &lt; 2, which has been proposed for the source population of gamma-ray bursts. Assuming a standard candle luminosity, the computed brightness distribution is consistent with the BATSE results if bursts at the peak flux threshold, P = 0.4 photons cm^{-2}/s, are located at a limiting redshift of 1.9 to 3.3. Progenitors of the systems producing gamma-ray bursts at small redshift (bright) are likely to host in spiral galaxies and star forming regions whereas these at high redshift (dim) reside mainly in elliptical galaxies. The location of a burst may be up to a Mpc away from the host galaxy.

연구 동기 및 목표

• 중성자별 이중성의 공동 융합률 밀도의 적색편이 진화를 규명하는 것.
• 예측된 융합률 진화가 감마선 폭발(GRB)의 관측된 적색편이 분포와 일치하는지 평가하는 것.
• 융합 시간과 은하 형성 역사를 바탕으로 GRB 원천의 은하 유형과 공간 분포를 조사하는 것.
• 모델이 예측하는 빛의 세기 분포가 BATSE 관측 결과와 일관되는지 평가하는 것.

제안 방법

• 인구 합성 모델을 사용하여 중성자별 이중성의 융합 시간 분포를 계산한다.
• 다양한 은하 형태에 따라 변하는 시간 상수를 가진 지수 법칙을 사용하여 은하 형성률을 모델링한다.
• 타원은하의 형성 역사를 더 잘 반영하기 위해 초기 1 Gyr 동안의 은하 형성 폭발을 포함한다.
• 융합 시간을 적색편이로 이동시키고 우주 시간에 걸쳐 적분하여 공동 융합률 밀도 n_c(z)를 계산한다.
• GRB의 표준 캔들 빛의 세기 가정 하에 모델의 빛의 세기 분포를 BATSE 데이터와 비교한다.
• 이중성의 역학과 탈출 속도를 바탕으로 GRB 위치와 은하 간 최대 1 Mpc의 이격 가능성을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자별 이중성 융합률의 예측된 적색편이 진화가 감마선 폭발 데이터에서 관측된 (1+z)^{1.5–2} 의존성과 일치하는가?
• RQ2 저적색편이와 고적색편이에서 GRB 원천을 수용하는 은하 유형은 무엇인가?
• RQ3 출생 힘 또는 천체역학적 탈출로 인해 GRB 원천이 은하에서 얼마나 떨어질 수 있는가?
• RQ4 모델이 예측하는 빛의 세기 분포는 BATSE에서 관측된 광도 분포와 일치하는가?
• RQ5 다른 은하 형성 역사를(예: 지수형 vs 폭발형) 갖는 경우, 융합률 밀도 진화에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• z < 2 범위에서 공통 융합률 밀도 n_c(z)는 n_c(z) ∝ (1+z)^{1.5–2}의 형태를 띠며, GRB 원천에서 유추된 형태와 일치한다.
• 폭발의 피크 광도 임계값(P = 0.4 photons cm⁻² s⁻¹)에 해당하는 폭발이 적색편이 1.9에서 3.3 사이에 위치할 경우, 모델이 예측하는 빛의 세기 분포는 BATSE 데이터와 일치한다.
• 저적색편이에서 밝은 GRB의 원천은 주로 나선은하와 별 형성 영역에 존재할 가능성이 높다.
• 고적색편이에서 어두운 GRB의 원천은 주로 타원은하에 존재한다.
• 출생 힘 또는 천체역학적 탈출로 인해 GRB의 위치가 은하에서 최대 1 Mpc 떨어져 있을 수 있다.
• 이 모델은 단기적 감마선 폭발이 중성자별 이중성 융합에서 기인한다는 가설을 지지하며, 은하 유형과 적색편이가 융합 timescale과 은하 형성 역사를 기반으로 결정됨을 시사한다.