[논문 리뷰] Observational consequences of structured jets from neutron star mergers in the local Universe

Nihar Gupte, I. Bartos|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 19.

Advanced X-ray and CT Imaging인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 뉴트리노 별 융합에서의 구조화된 감마선 제트의 관측적 결과를 연구하며, GRB170817A를 원형으로 삼는다. 구조화된 복사로 인해 국소 우주에서의 탐지 가능성이 증가하며, 약 30퍼센트의 중력파로 탐지된 융합에서 관측 가능한 감마선 폭발(GRB) 반영이 발생하고, 약 10퍼센트의 관측된 단기 GRB가 200 Mpc 이내에서 발생하며, BNS 융합 속도는 약 500 Gpc⁻³ yr⁻¹임을 보여준다.

ABSTRACT

The recent multi-messenger discovery of binary neutron star (BNS) merger GW170817 showed that $γ$-ray emission in short GRBs is wider than the central energetic narrow cone, and weakly expands out to tens of degrees. Here we explore some of the observational consequences of this structured emission, taking the reconstructed angular emission profile of gamma-ray burst GRB170817A to be typical. We calculate the expected fraction of gravitational-wave observations from BNS mergers that will have an observed GRB counterpart to be $\sim30\%$, implying that joint gravitational-wave and GRB observations will be common. Further, we find that $\sim10\%$ of observed short GRBs occur within 200 Mpc. Finally, we estimate a BNS merger rate of $\sim500$ Gpc$^{-3}$yr$^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• 구조화된 감마선 방출이 뉴트리노 별 융합에서 다메시지 탐지 빈도에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 비축 방향 관측 각도와 약한 연장된 복사가 국소 우주에서 관측된 단기 GRB의 빈도에 어떻게 영향을 미치는지 정량화하는 것.
• 관측된 GRB 탐지 통계와 구조화된 제트 모델을 바탕으로 국소 BNS 융합 속도를 추정하는 것.
• 관측된 단기 GRB 빈도와 중력파 탐지로부터 유도된 융합 속도 간의 괴리를 조율하는 것.
• 구조화된 제트가 근접한 소스에서의 GRB 탐지 가능성에 미치는 영향을 먼, 강하게 비추는 이벤트와 비교하여 평가하는 것.

제안 방법

• 저자들은 BNS 융합에서 발생하는 일반적인 단기 GRB를 대표하는 것으로 가정하여, GRB170817A의 재구성된 각도 복사 프로파일을 구조화된 제트의 기준 모델로 사용한다.
• 구조화된 제트 프로파일을 관측 각도에 대해 통합하여 중력파로 탐지된 BNS 융합 중에서 관측 가능한 GRB 반영을 가질 확률을 계산한다.
• 단기 GRB의 탐지 부피는 Margutti 등(2018)의 시뮬레이션된 구조화된 제트 프로파일을 사용하여 추정하며, 제트 축에서 40도 이내에서 탐지 가능하다고 가정한다.
• 국소 BNS 융합 속도는 Fermi-GBM과 Swift-BAT에서 관측된 연간 약 45개의 GRB 비율을 약 0.1 Gpc⁻³의 효과적 탐지 부피로 스케일링하여 유도한다.
• 근접한 GRB는 약한 복사에도 불구하고 거리가 가까워 더 넓은 관측 각도에서 탐지될 수 있다는 사실을 고려한다.
• 모델은 구조화된 제트 프로파일이 40도까지 유효하다고 가정하여, 더 넓은 각도에서의 탐지 가능성은 더 높을 수 있으므로 결과는 보수적인 것으로 간주된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력파로 탐지된 BNS 융합 중 약 몇 퍼센트가 구조화된 제트 복사로 인해 관측 가능한 단기 GRB 반영을 가질 것으로 예상되는가?
• RQ2 연장된 복사 프로파일을 고려할 때, 관측된 단기 GRB 중 약 몇 퍼센트가 지구에서 200 Mpc 이내에서 기인할 것으로 예상되는가?
• RQ3 관측된 GRB 탐지 빈도와 구조화된 제트 모델을 바탕으로 유도된 국소 BNS 융합 속도 밀도는 얼마인가?
• RQ4 구조화된 복사로 인해 근접한 GRB의 탐지 가능성은 먼, 강하게 비추는 GRB와 비교하여 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 구조화된 제트를 포함함으로써 관측된 단기 GRB 빈도와 BNS 융합 속도 간의 괴리 문제가 어느 정도 해결되는가?

주요 결과

• 중력파로 탐지된 이진 뉴트리노 별 융합 중 약 30퍼센트가 구조화된 제트 복사로 인해 관측 가능한 단기 GRB 반영을 가질 것으로 예상된다.
• 관측된 단기 GRB 중 약 10퍼센트가 지구에서 200 Mpc 이내에서 기인할 것으로 예상되며, 이는 상당수의 근접한 GRB가 거리 측정에서 아직 탐지되지 않았음을 시사한다.
• 국소 BNS 융합 속도 밀도는 약 500 Gpc⁻³ yr⁻¹로 추정되며, LIGO/Virgo 관측과 일치하지만 일부 인구 합성 모델보다는 높다.
• 단기 GRB의 탐지 부피는 약 0.1 Gpc⁻³로 추정되며, 이는 구조화된 제트 프로파일과 연간 약 45개의 관측된 GRB 탐지 빈도를 기반으로 한다.
• 모델은 근접한 GRB가 먼 것보다 훨씬 밝지 않은 이유를 설명한다. 큰 각도에서의 약한 복사가 거리의 가까움으로 상쇄되기 때문이다.
• 결과는 보수적인데, 구조화된 제트 프로파일이 40도까지만 검증되었고, 더 넓은 각도에서의 탐지 가능성이 더 높을 수 있기 때문이다.