[논문 리뷰] On the rate and on the gravitational wave emission of short and long GRBs

R. Ruffini, Juan Rodríguez외 14명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 10.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 152인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 단기 및 장기 감마선 폭발(GRBs)을 위한 통합 이원형 조상 프레임워크를 제안하며, 압축 천체 조합(COcore-NS, NS-BH 등)에 기반해 7개의 하위군으로 분류한다. 이 시스템의 중력파(GW) 방출을 모델링하고, 앤서티드 라이고, 바이오, 이레사, 공명 막대와 같은 탐지기에서의 탐지 가능성을 평가하여, 이전에는 중력파를 방출하지 않는 것으로 여겨졌던 장기 GRB들이 밀도가 높은 이원계에서 유도된 중력 붕괴를 통해 감지 가능한 중력파를 방출할 수 있음을 보여주며, BdHNe와 XRFs가 중력파 및 GRB 빈도 예산에 크게 기여함을 시사한다.

ABSTRACT

On the ground of the large number of gamma-ray bursts (GRBs) detected with cosmological redshift, we classified GRBs in seven subclasses, all with binary progenitors originating gravitational waves (GWs). Each binary is composed by combinations of carbon-oxygen cores (CO$_{ m core}$), neutron stars (NSs), black holes (BHs) and white dwarfs (WDs). The long bursts, traditionally assumed to originate from a BH with an ultra-relativistic jetted emission, not emitting GWs, have been subclassified as (I) X-ray flashes (XRFs), (II) binary-driven hypernovae (BdHNe), and (III) BH-supernovae (BH-SNe). They are framed within the induced gravitational collapse (IGC) paradigm with progenitor a CO$_{ m core}$-NS/BH binary. The supernova (SN) explosion of the CO$_{ m core}$ triggers an accretion process onto the NS/BH. If the accretion does not lead the NS to its critical mass, an XRF occurs, while when the BH is present or formed by accretion, a BdHN occurs. When the binaries are not disrupted, XRFs lead to NS-NS and BdHNe lead to NS-BH. The short bursts, originating in NS-NS, are subclassified as (IV) short gamma-ray flashes (S-GRFs) and (V) short GRBs (S-GRBs), the latter when a BH is formed. There are (VI) ultra-short GRBs (U-GRBs) and (VII) gamma-ray flashes (GRFs), respectively formed in NS-BH and NS-WD. We use the occurrence rate and GW emission of these subclasses to assess their detectability by Advanced LIGO-Virgo, eLISA, and resonant bars. We discuss the consequences of our results in view of the announcement of the LIGO-Virgo Collaboration of the source GW 170817 as being originated by a NS-NS.

연구 동기 및 목표

• 장기 및 단기 GRB를 압축 천체 조합(COcore, NS, BH, WD)에 기반한 통합 이원형 조상 프레임워크로 재분류하는 것.
• 기존에 중력파를 방출하지 않는 것으로 간주되던 장기 GRB의 중력파 방출 잠재력을 재평가하는 것.
• 현재 및 향후 탐지기(앤서티드 라이고, 바이오, 이레사, 공명 막대)에서 GRB 연관 중력파의 탐지 가능성을 추정하는 것.
• 이중성 진화 및 초고속 질량 축적 과정과 연결하여 관측된 GRB 빈도와 이론 모델을 조율하는 것.
• NS-NS 병합인 GW170817을 단기 GRB 및 U-GRBs의 이원형 조상 모델 검증으로 해석하는 것.

제안 방법

• 이원형 조상 기반으로 GRB를 7개의 하위군으로 분류: (I) XRFs, (II) BdHNe, (III) BH-SNe, (IV) S-GRFs, (V) S-GRBs, (VI) U-GRBs, (VII) GRFs.
• 장기 GRB에 대해 유도된 중력 붕괴(IGC) 개념을 적용하여, 초신성 폭발 잔여물에서 밀도가 높은 이웃 압축 천체(NS 또는 BH)로의 초고속 질량 축적을 모델링한다.
• 광도 함수와 우주적 GRB 빈도를 사용하여 적색편이 독립적인 f(z) = 1 조건 하에 국소 관측 사건 빈도 밀도를 콘볼루션으로 계산한다.
• 피크 플럭스 임계값에서 최대 적색편이 zmax(L)를 계산하기 위해 거리 제한 탐지 방법(Schaefer 2007)을 적용하며, 탐지기별 시야 및 운영 시간을 고려한다.
• 예상 빈도와 중력파 방출 모델을 사용하여 중력파 탐지 가능성을 평가하며, 병합 시간스케일과 질량 환경의 청결도를 포함한다.
• 이중성 운동학과 비순식질 질량 손실 효과(예: 초신성 충격파 도달 시간)를 통합하여 초신성 이후 이중성 생존 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존에 중력파를 방출하지 않는 것으로 여겨졌던 장기 GRB들이 이원형 조상 모델을 통해 감지 가능한 중력파를 방출할 수 있는가?
• RQ2 제안된 7개의 GRB 하위군에 대해 라이고, 바이오, 이레사, 공명 막대 탐지기에서 감지 가능한 중력파 방출 빈도는 각각 얼마인가?
• RQ3 XRFs, BdHNe, BH-SNe의 추정 빈도가 관측된 장기 GRB 빈도와 비교해 볼 때, 이는 조상 모델에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 비순식질 질량 손실과 초신성 충격파 도달 시간이 COcore-NS 이중성이 NS-BH 또는 NS-NS 이중성으로 생존할 수 있도록 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 최근의 GW170817 NS-NS 병합은 제안된 이원형 조상 프레임워크가 단기 및 초단기 GRB에 대해 얼마나 타당한지를 어떻게 뒷받침하는가?

주요 결과

• XRF 하위군의 국소 관측 빈도는 ρXRF = 100+45−34 Gpc−3 yr−1로, 저광도 장기 GRB와 일치한다.
• BdHNe 하위군의 국소 관측 빈도는 ρBdHN = 0.77+0.09−0.08 Gpc−3 yr−1로, 고광도 장기 GRB 빈도와 일치한다.
• BH-SN 하위군은 BdHNe 빈도로 제한되며, ρBH−SN ≲ 0.77+0.09−0.08 Gpc−3 yr−1로, 이는 초가벼운 이중성의 소수(0.5–5%)에서 기인함을 시사한다.
• COcore-NS 이중성의 궤도 주기가 30분 이하인 경우, 초신성 폭발 후 생존 가능하며, 초신성 충격파 도달 시간이 궤도 주기와 유사할 경우 νNS-BH 이중성이 형성되며, 이는 약 10^4년 수준의 중력파 주도 병합 시간스케일을 가진다.
• U-GRB 하위군(즉, NS-BH 병합)은 BdHNe 생존자에서 유래할 것으로 예측되며, 청결한 병합 환경과 초단기 GRB 방출 가능성을 지닌다.
• 이 모델은 S-GRBs 및 S-GRFs의 조상으로서의 NS-NS 병합인 GW170817을 설명하며, 단기 GRB의 이원형 기원을 검증하고, U-GRBs 및 GRFs로의 프레임워크 확장을 가능하게 한다.