[논문 리뷰] Probing Long Gamma Ray Bursts progenitor mass by Gravitational Waves

Mariafelicia De Laurentis, F. Garufi외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 30.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 장수간성파폭발(LGRBs)의 원천 질량을 추정하기 위한 새로운 방법을 제안한다. 중력파(GW) 에너지 방출을 이용하여 원천 붕괴 및 잔여물 방출에서 발생하는 등방성 GRB 에너지 $E_{\text{iso}}^{\text{GRB}}$ 와 GW 에너지 $E_{\text{iso}}^{\text{GW}}$ 를 통합한다. 원천과 잔여물(NS/BH)에서 발생하는 중력파 방출을 모델링하고, 237개의 LGRB에 대해 하이브리드 몬테카를로 절차를 적용함으로써 일관된 원천 질량(24–39 $M_\odot$), 잔여물 질량(2–7 $M_\odot$), 중력파 주파수(250–500 Hz)를 도출하였다. 특히 GRB 060218에 대한 모델 3는 관측 제약 조건과 고급 중력파 탐지기에서의 탐지 가능성과 가장 잘 부합하였다.

ABSTRACT

In this work we present a procedure to infer the mass of progenitors and remnants of Gamma Ray Bursts (GRB), starting from the observed energy $E_{iso}^{GRB}$ emitted isotropically and considering the associated emission of Gravitational Waves (GW) $ E_{iso}^{GW}$ in the different phases. We assume that the GW energy of the progenitor $E_{PROG}^{GW}$ is emitted partially during a star collapse, and the residual energy is related to the GW energy emitted by the remnant. We take a sample of $237$ Long GRB, and use an hybrid Montecarlo procedure to explore, for each of them, a region of possible solutions of $ E_{iso}^{GW}$ as a function of the masses, radii, oblateness, rotation frequencies of progenitor and remnant and the fraction of energy $k$ emitted as GW by the GRB. We discriminate between a Neutron Star (NS) or Black Hole (BH) for the remnant and obtain interesting values for the GW emitted by the remnant NS or BH, for the conversion factor $k$ of and for the masses and radii of GRB progenitor stars. We also obtain remnant populations with mean masses, mean GW frequencies and GRB frequency of GW emission in agreement with the most accepted models.

연구 동기 및 목표

• 장수간성파폭발(LGRB) 원천 질량을 중력파(GW) 방출을 이용해 추론하는 방법을 개발하기 위해.
• 핵 붕괴 및 잔여물 형성 동안 방출된 중력파 에너지와 등방성 GRB 에너지 간의 관계를 규명하기 위해.
• 중력파 방출과 탐지기 감도 곡선을 비교하여 중성자별(NS)과 블랙홀(BH) 잔여물 간의 구분을 하기 위해.
• 원천 질량, 반지름, 회전 주파수, 편평도, 중력파 에너지 변환 인자 $k$ 와 같은 핵심 매개변수를 제약하기 위해.
• 현재 및 향후 중력파 탐지기에서의 탐지 가능성 평가를 포함하여, 두 개의 잘 연구된 GRB(030329 및 060218)를 사용해 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 등방성 GRB 에너지 $E_{\text{iso}}^{\text{GRB}}$ 의 일부가 중력파 에너지 $E_{\text{iso}}^{\text{GW}}$ 로 변환된다고 가정한다. 이 비율은 $k$ 로 표현된다.
• 총 중력파 에너지를 $E_{\text{PROG}}^{\text{GW}} = E_{\text{iso}}^{\text{GW}} + E_{\text{RMN}}^{\text{GW}}$ 로 모델링하며, 여기서 $E_{\text{RMN}}^{\text{GW}}$ 는 잔여물(NS 또는 BH)에서 발생하는 중력파 에너지이다.
• 원천 및 잔여물의 질량, 반지름, 회전 주파수, 편평도, $k$ 등의 매개변수 공간을 탐색하기 위해 하이브리드 몬테카를로 절차를 적용한다.
• LIGO, VIRGO 및 에인슈타인 전기계(ET)의 감도 곡선과 비교하기 위해 무차원 중력파 진폭 $h_0$ 를 사용한다.
• 물리적 제약 조건을 적용한다: 원천 질량은 $10M_\odot \leq M \leq 60M_\odot$ 이며, 저금속도에서 $C/O \leq 1$ 인 월프-레일리 별을 고려한다.
• GRB 030329 및 GRB 060218에 대해 모델을 테스트하며, 초신성 SN 2006aj 연관성과 원천 반지름 제약 조건을 활용해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장수간성파폭발의 원천 질량은 붕괴 단계에서의 중력파 에너지 방출을 통해 제약을 받을 수 있는가?
• RQ2 LGRB 원천에서 중력파 에너지 변환 인자 $k$ 의 가능한 값의 범위는 무엇인가?
• RQ3 원천 및 잔여물의 매개변수(질량, 반지름, 회전 주파수, 편평도)는 관측된 GRB 등방성 에너지와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 관측된 중력파 방출과 탐지기 감도 곡선과 가장 잘 부합하는 잔여물 유형은 중성자별(NS)인지 블랙홀(BH)인가?
• RQ5 중력파 탐지 가능성 기반으로, GRB 060218 및 GRB 030329에 대한 타당한 물리적 시나리오를 모델이 구분할 수 있는가?

주요 결과

• GRB 030329의 경우, 모델 1에서 원천 질량은 $39 \pm 10\,M_\odot$ 로 추정되었으며, 잔여물 질량은 $2 \pm 0.8\,M_\odot$ 이고, 중력파 방출 주파수는 507 Hz였다.
• GRB 060218의 경우, 모델 1에서 원천 질량은 $27 \pm 8\,M_\odot$ 였으며, 잔여물 질량은 $2 \pm 0.5\,M\odot$ 이고, 중력파 주파수는 514 Hz였다.
• 대부분의 모델에서 에너지 변환 인자 $k$ 는 일관되게 $5 \times 10^{-6}$ 로 추정되었으나, GRB 060218에 대한 모델 3에서는 $k = 56 \times 10^{-6}$ 로 나타났다.
• GRB 060218에 대한 모델 3는 탐지 가능성 측면에서 유리하다: 이 모델의 예측 중력파 진폭 $h_{\text{iso}}$ 는 고급 중력파 탐지기의 감도 곡선을 초과하지만, 다른 모델은 그렇지 않다.
• 원천 편평도 $\epsilon_{\text{PRG}}$ 는 0.07에서 0.15 사이로 변동하였고, 잔여물 편평도 $\epsilon_{\text{Remn}}$ 은 $3 \times 10^{-7}$ 에서 $2 \times 10^{-5}$ 사이로 나타나 상당한 비대칭성을 보였다.
• 연구 결과, 잔여물에서 발생하는 중력파 방출이 총 $E_{\text{PROG}}^{\text{GW}}$ 에서 중요한 기여를 하며, 이는 $E_{\text{RMN}}^{\text{GW}}$ 를 에너지 예산에 포함시키는 것이 타당하다는 것을 뒷받침한다.