[논문 리뷰] GRB170817A: a giant flare from a jet-less double neutron-star merger?

O. S. Salafia, G. Ghisellini외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 08.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 1

한 줄 요약

논문은 이중 중성자별 병합에서 발생한 GRB170817A가 초강력 자기장($B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$)에 의해 구동되는 등방성 화염구가 되었으며, 상대론적 속도로 팽창하는 소량의 중성자-rich 물질($M \sim 3 \times 10^{-6}\, M_\odot$)을 방출했다고 제안한다. 이 모델은 상대론적 제트가 필요 없이 X선 및 전파 데이터를 설명하며, 중력파 사건으로부터 가까운 카일로노바를 탐지하는 데 이러한 등방성 X선 성분이 가이드 역할을 할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We show that GRB170817A and the subsequent radio and X-ray observations can be interpreted as due to an isotropic fireball loaded with a small amount ($M\sim 3 imes 10^{-6}\,{ m M_\odot}$) of neutron-rich ($Y_{ m e}\sim 0.06$) material, which expands relativistically reaching a Lorentz factor $\Gamma\sim 5$. The physical picture resembles that of a giant flare from a magnetar, and could have been driven by an ultra-strong magnetic field $B\sim 3 imes 10^{16}\,{ m G}$ produced through amplification by magnetohydrodynamic turbulence at the beginning of the merger phase of the progenitor double neutron-star binary. Within such picture, the X-ray and radio data indicate a very tenuous ($n\sim 10^{-5}\,{ m cm^{-3}}$) circum-binary medium, suggesting that the binary was outside the host galaxy in our direction, or that some process has blown a cavity around the binary before the merger. No relativistic jet is needed to explain the observations published in the literature so far, but we show that future radio and X-ray observations can be used to rule out the proposed picture. If our interpretation turns out to be correct, it indicates that not all double neutron-star mergers produce a jet, while most should feature this isotropic, hard X-ray component that can be a powerful guide to the discovery of additional kilonovae associated to relatively nearby gravitational wave events.

연구 동기 및 목표

• 상대론적 제트를 도입하지 않고 GRB170817A의 X선 및 전파 관측을 설명하기 위해.
• 관측된 복사가 상대론적 팽창을 보이는 등방성 화염구에 기인할 수 있는지 조사하기 위해.
• 자기역학적 난류를 통해 생성된 초강력 자기장($B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$)이 복사 에너지를 공급하는 데 어떤 역할을 하는지 탐색하기 위해.
• 이중성계 주변 환경을 평가하여, 이중성이 은하계 외부에 있거나 사전에 형성된 공동 내에 있을 경우와 일치하는 희박한 매질($n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$)을 제안하기 위해.
• 이러한 등방성, 경량 X선 성분이 이중 중성자별 병합에서 흔한 특성일 수 있으며, 가까운 거리의 카일로노바 탐지에 도움이 될 수 있음을 제안하기 위해.

제안 방법

• 초강력 자기장($B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$)의 에너지 방출에 의해 구동되는 상대론적 팽창($\Gamma \sim 5$)을 보이는 등방성 화염구로 복사 모델링하기.
• 병합 단계 동안 자기역학적 난류를 통해 자기장이 초고도로 증폭될 수 있음을 설명하기 위해.
• 전자 비율 $Y_{\text{e}} \sim 0.06$를 가진 소량의 중성자-rich 물질($M \sim 3 \times 10^{-6}\, M_\odot$)의 방출을 포함하기.
• 희박한 이중성계 주변 매질($n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$)을 가진 모델을 사용하여 관측된 X선 및 전파 광도 곡선에 적합시키기.
• 기존 관측 데이터와의 비교를 통해 제트 없는 등방성 화염구 모델의 타당성을 시험하기.
• 미래의 전파 및 X선 관측을 통해 제안된 모델을 배제하거나 확인하는 진단 도구로 활용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB170817A의 X선 및 전파 복사가 상대론적 제트 없이 설명될 수 있는가?
• RQ2 이중 중성자별 병합에서 등방성이고 경량 X선 성분을 생성할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 이러한 복사를 공급하기 위해 필요한 자기장 강도는 얼마이며, 병합 과정에서 어떻게 생성될 수 있는가?
• RQ4 관측된 이중성계 주변 환경($n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$)은 이중성계의 위치 또는 이전 활동에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ5 등방성이고 경량 X선 성분은 이중 중성자별 병합에서 흔한 특성인가, 그리고 관련 카일로노바 탐지에 도움이 될 수 있는가?

주요 결과

• GRB170817A의 X선 및 전파 데이터는 상대론적 제트가 필요 없는 등방성 화염구 모델과 일치한다.
• 복사는 $\Gamma \sim 5$로 상대론적으로 팽창하는 $M \sim 3 \times 10^{-6}\, M_\odot$의 중성자-rich 물질($Y_{\text{e}} \sim 0.06$)을 포함한 화염구에 의해 가장 잘 설명된다.
• 이 복사를 공급하기 위해 초강력 자기장 $B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$가 필요하며, 이는 자기역학적 난류에 의해 증폭된 것이다.
• 이중성계 주변 매질은 매우 희박한 것으로 추정되며, 밀도 $n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$로, 이중성이 은하계 외부에 있거나 사전에 형성된 공동 내에 있었음을 시사한다.
• 이 모델은 이러한 등방성이고 경량 X선 성분이 이중 중성자별 병합에서 흔한 특성일 수 있으며, 가까운 거리의 카일로노바 탐지에 새로운 통로를 제공할 수 있음을 예측한다.
• 미래의 전파 및 X선 관측을 통해 제안된 제트 없는 등방성 화염구 시나리오를 배제하거나 확인할 수 있다.