[논문 리뷰] Gamma-ray bursts from accreting black holes in neutron star mergers

M. Ruffert, Hans‐Thomas Janka|ArXiv.org|1998. 09. 23.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 50

한 줄 요약

이 논문은 중성자별 융합 이후 형성된 블랙홀 주위의 물질 토러스에서 중성미자-반중성미자 상호작용이 발생함으로써 단기 감마선 폭발(SGRBs)이 발생할 수 있다고 제안한다. 시뮬레이션 결과, 자전축을 따라 형성된 빈약한 질량의 터널 영역에서 νν̄ 상호작용으로 최대 10^49 에르그의 에너지가 부여되며, 천체의 1–10% 영역으로 빔형으로 방출될 경우, 최대 10^52 에르그/초의 광도를 가진 상대론적 제트가 생성될 수 있다.

ABSTRACT

By means of three-dimensional hydrodynamic simulations with a Eulerian PPM code we investigate the formation and the properties of the accretion torus around the stellar mass black hole which originates from the merging of two neutron stars. The simulations are performed with four nested cartesian grids which allow for both a good resolution near the central black hole and a large computational volume. They include the use of a physical equation of state as well as the neutrino emission from the hot matter of the torus. The gravity of the black hole is described with a Newtonian and alternatively with a Paczynski-Wiita potential. In a post-processing step, we evaluate our models for the energy deposition by nu-nubar annihilation around the accretion torus. Our models show that nu-nubar annihilation can yield the energy to account for weak, short gamma-ray bursts, if moderate beaming is involved. In fact, the barrier of the dense baryonic gas of the torus suggests that the low-density pair-photon-plasma is beamed as axial jets into a fraction 2 delta Omega/ (4 pi) between 1/100 and 1/10 of the sky, corresponding to opening half-angles of roughly ten to several tens of degrees. Thus gamma-burst energies of 10^{50}--10^{51} erg seem within the reach of our models (if the source is interpreted as radiating isotropically), corresponding to luminosities around 10^{51} erg/s for typical burst durations of 0.1--1 s. Gravitational capture of radiation by the black hole, redshift and ray bending do not reduce the jet energy significantly. Effects associated with the Kerr character of the rapidly rotating black hole, however, could increase the gamma-burst energy considerably, and effects due to magnetic fields might even be required to get the energies for long complex gamma-ray bursts.

연구 동기 및 목표

• 중성자별 융합에서 형성된 수축 중 블랙홀이 중성미자-반중성미자 상호작용을 통해 단기 감마선 폭발을 어떻게 유도할 수 있는지 조사하기.
• 3차원 유체역학 시뮬레이션을 사용하여 형성된 블랙홀 주위의 물질 토러스의 형성 및 성질을 모델링하기.
• 토러스 내에서 νν̄ 상호작용의 에너지 부여 효율성과 에너지 투입 정도를 평가하고, 상대론적 제트를 유도할 잠재력을 분석하기.
• 빔형 방출, 질량 적재, 블랙홀 스핀이 관측 가능한 GRB 광도를 가능하게 하는 데 미치는 영향을 평가하기.

제안 방법

• 블랙홀 근처 고밀도 영역과 대규모 토러스를 해상도를 높여 해석하기 위해 네 개의 중첩된 직교좌표 격자를 사용한 오일러 기반 PPM 수치 코드를 사용한 3차원 유체역학 시뮬레이션.
• 물리적 상태방정식 및 뜨거운 토러스 물질에서의 중성미자 방출을 고려하였으며, 중력은 뉴턴력과 파체ński-위타 잠재력으로 모델링하였다.
• 후처리 평가를 통해 토러스 및 터널 영역에서 νν̄ 상호작용의 에너지 부여 속도와 공간 분포를 분석하였다.
• 낮은 질량 밀도의 터널 영역의 입체각을 기반으로 제트 빔형 분수 fΩ를 추정하였으며, 에너지 출력을 fΩ로 조정하여 등방성 등가 광도를 추정하였다.
• 제트 에너지에 영향을 주는 중력적 포착, 적색이동, 빛의 굴절 효과를 평가하였고, 킬러 블랙홀 및 자석장 효과도 고려했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자별 융합에서 형성된 블랙홀 주위의 물질 토러스에서 발생하는 νν̄ 상호작용이 단기 감마선 폭발을 유도할 수 있는 충분한 에너지를 생성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 융합에서 형성된 물질 토러스의 질량, 밀도, 온도, 중성미자 광도는 각각 얼마인가?
• RQ3 토러스 내에서 νν̄ 상호작용이 제트 형성 터널에 얼마나 효율적으로 에너지를 부여하는가? 그리고 에너지의 몇 퍼센트가 상대론적 외부 유동으로 전환되는가?
• RQ4 관측된 GRB 광도를 달성하기 위해 필요한 빔형 분수는 얼마이며, 질량 적재는 제트의 빔형과 루프르트 인자에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 일반 상대성 이론적 효과, 예를 들어 킬러 스핀이나 자석장은 제트 에너지와 폭발의 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 물질 토러스의 질량은 0.01에서 0.3 태양질량 사이이며, 최대 밀도는 약 10^12 g/cm³, 온도는 약 10 MeV로, 뉴클레온 당 엔트로피는 약 5 k_B 수준이다.
• 중성미자 광도는 약 10^53 erg/s에 도달하며, νν̄ 상호작용으로 터널 영역에 3–5×10^50 erg/s의 속도로 에너지가 부여된다.
• 0.02–0.1초 동안 약 10^49 에르그의 에너지가 제트 영역에 부여되며, 이는 약 10^{-5} M☉의 질량을 가진 빈약한 질량 영역 내에서 발생한다. 이로 인해 초기에 루프르트 인자 Γ−1 ≈ 1이 형성된다.
• 낮은 질량 밀도의 터널 영역은 효율적인 제트 빔형을 가능하게 하며, 빔형 분수 fΩ는 약 1/100에서 1/10 사이이며, 이는 개구 반각 10°에서 수십 도 수준에 해당한다.
• 10^50–10^51 erg/s의 등방성 등가 광도가 달성 가능하며, 이는 천체의 1–10% 영역으로 빔형으로 방출될 경우 관측된 단기 GRB와 일치한다.
• 적색이동 및 빛의 굴절 효과는 제트 에너지를 크게 감소시키지 않지만, 킬러 스핀과 자석장은 에너지 출력을 추가로 증가시킬 수 있다.