[논문 리뷰] Possible Short Gamma-Ray Bursts Associated with Black Hole - Black Hole Mergers

Bing Zhang|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 15.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 충전된 블랙홀-블랙홀(BH-BH) 병합이 병합 기간 동안 빠르게 변화하는 자기 dipole에서 기인하는 Poynting flux의 소산을 통해 단기 감마선 폭발(GRBs)을 생성할 수 있다고 제안한다. 만약 블랙홀이 임계 전하 $Q_c$의 약 $ frac{1}{10^5} - frac{1}{10^4}$ 수준의 전하를 지닌다면, 그로 인한 고에너지 일시적 현상은 검출 가능한 단기 GRB로 나타날 수 있으며, 이는 GW 150914와 동시에 관측된 페르미 GBM 신호를 설명할 수 있다.

ABSTRACT

The discoveries of GW 150914, GW 151226, and LVT 151012 suggest that double black hole (BH-BH) mergers are common in the universe. If at least one of the two merging black holes carries certain amount of charge, possibly retained by a rotating magnetosphere, the inspiral of a BH-BH system would drive a global magnetic dipole normal to the orbital plane. The rapidly evolving magnetic moment during the merging process would drive a Poynting flux with an increasing wind power. The magnetospheric activities during the final phase of the merger would make a fast radio burst (FRB) if the BH charge can be as large as a factor of $\hat q \sim (10^{-9}-10^{-8})$ of the critical charge $Q_c$ of the BH. At large radii, dissipation of the Poynting flux energy in the outflow would power a short duration high-energy transient, which would appear as a detectable short-duration gamma-ray burst (GRB) if the charge can be as large as $\hat q \sim (10^{-5}-10^{-4})$. The putative short GRB coincident with GW 150914 recorded by Fermi GBM may be interpreted with this model. Future joint GW/GRB/FRB searches would lead to a measurement or place a constraint on the charges carried by isolate black holes.

연구 동기 및 목표

• 충전된 블랙홀-블랙홀 병합이 관측 가능한 단기 감마선 폭발(GRBs)을 생성할 수 있는지 조사하는 것.
• 특히 충전된 블랙홀의 맥락에서 중력파 사건(예: GW 150914)의 전자기적 반영을 탐색하는 것.
• 그러한 GRB를 검출할 수 있는 가능성 평가 및 중력파/GRB/FRB 공동 관측을 통해 블랙홀 전하를 제약하는 것.

제안 방법

• BH-BH 접근 및 병합 기간 동안 회전하고 있는 충전된 블랙홀이 유도하는 자기 dipole 모멘트를 모델링하는 것.
• 궤도 평면에서 변화하는 자기 dipole가 생성하는 시간에 따라 변하는 Poynting flux를 계산하는 것.
• 자기 모멘트의 변화율에 기반해 전자기 유출의 풍력(power)을 추정하는 것.
• 큰 반경에서의 에너지 소산을 평가하여 Poynting flux가 단기 고에너지 일시적 현상을 공급할 수 있는지 판단하는 것.
• 임계 전하 $Q_c$를 기준으로 차원 없는 전하 $ frac{q}{Q_c}$를 정의하고 관측 가능한 서명을 평가하는 것.
• 예측된 GRB 빛의 세기와 지속 시간을 페르미 GBM이 GW 150914와 동시에 관측한 신호와 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 충전된 블랙홀-블랙홀 병합이 Poynting flux 소산을 통해 검출 가능한 단기 감마선 폭발을 생성할 수 있는가?
• RQ2 관측 가능한 빛의 세기를 갖는 단기 GRB를 생성하기 위해 필요한 블랙홀 전하($\hat{q}$)의 범위는 무엇인가?
• RQ3 GW 150914와 관련된 페르미 GBM 신호는 이 전자기 반영 모델과 일치하는가?
• RQ4 향후 중력파, 감마선 폭발, 그리고 빠른 라디오 폭발의 공동 관측을 통해 고립된 블랙홀의 전하를 제약할 수 있는가?
• RQ5 어떤 물리적 메커니즘이 병합 중인 충전된 BH 시스템에서 전자기 에너지를 단기 고에너지 일시적 현상으로 전환하는가?

주요 결과

• 임계 전하 $Q_c$의 약 $10^{-5} - 10^{-4}$ 수준의 블랙홀 전하 $ frac{q}{Q_c}$는 Poynting flux 소산을 통해 검출 가능한 단기 감마선 폭발을 공급하는 데에 충분하다.
• 충전된 BH-BH 병합은 블랙홀 전하가 $Q_c$의 약 $10^{-9} - 10^{-8}$ 수준에 도달할 경우, 최종 병합 단계 동안의 자기권 활동으로 인해 빠른 라디오 폭발(FRB)을 생성할 수 있다.
• 페르미 GBM이 GW 150914와 동시에 기록한 단기 GRB는 이 모델로 설명될 수 있으며, 중력파 사건에 대한 가능한 전자기 반영을 시사한다.
• 이 모델은 큰 반경에서 Poynting flux 에너지의 소산이 단기 GRB의 특성(지속 시간 및 최대 빛의 세기)을 갖는 일시적 현상을 생성한다고 예측한다.
• 향후 중력파, 감마선 폭발, 빠른 라디오 폭발의 공동 탐지 캠페인은 고립된 블랙홀이 지닌 전하를 측정하거나 제약할 수 있다.