[논문 리뷰] Revisiting black hole hyperaccretion in the center of gamma-ray bursts for the lower mass gap

Huimin Qu, Tong Liu|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 18.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 84인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 감마선 폭발(GRB) 중심 엔진 내 블랙홀(BH) 초질량흡착이 압축된 물체 질량 함수의 낮은 질량 간극(2–5 M⊙)을 설명할 수 있는지 조사한다. 관측된 GRB 데이터와 중성미자 상쇄 및 블랜드포르트-즈나예크(BZ) 제트 메커니즘을 모델링하여, 중성미자 주도의 초질량흡착이 장수명 GRB(LGRB)의 50% 이상에서 초기 3 M⊙ BH를 간극을 초월해 성장시킬 수 있음을 발견했다. 특히 초신성(SN) 연관이 없는 경우에 특히 그렇다. 반면 BZ 메커니즘은 효과가 없었다. NS-NS 또는 NS-BH 융합에서 기인한 SGRB는 초기 BH 질량이 상한 근처일 경우를 제외하고는 간극을 벗어나지 못한다.

ABSTRACT

The ultrarelativistic jets triggered by neutrino annihilation processes or Blandford-Znajek (BZ) mechanisms in stellar-mass black hole (BH) hyperaccretion systems are generally considered to power gamma-ray bursts (GRBs). Due to the high accretion rate, the central BHs might grow rapidly on a short timescale, providing a new way to understand "the lower mass gap" problem. In this paper, we use the BH hyperaccretion model to investigate BH mass growth based on observational GRB data. The results show that (i) if the initial BH mass is set as $3~M_\odot$, the neutrino annihilation processes are capable of fueling the BHs to escape the lower mass gap for more than half of long-duration GRBs (LGRBs), while the BZ mechanism is inefficient on triggering BH growths for LGRBs; (ii) the mean BH mass growths in the case of LGRBs without observable supernova (SN) association are much larger than these in the case of LGRBs associated with SNe for both mechanisms, which imply that more massive progenitors or lower SN explosion energies prevail throughout the former cases; (iii) for the short-duration GRBs, the mean BH mass growths are satisfied with the mass supply limitation in the scenario of compact object mergers, but the hyperaccretion processes are unable to rescue BHs from the gap in binary neutron star (NS) mergers or the initial BH mass being $3~M_\odot$ after NS-BH mergers.

연구 동기 및 목표

• GRB 중심 엔진 내 BH 초질량흡착이 압축된 물체 질량 함수의 낮은 질량 간극 문제를 해결할 수 있는지 조사하기.
• BH 질량 증가 동안 GRB 중심 엔진 활동 중 중성미자 상쇄와 BZ 메커니즘의 역할 평가하기.
• BH가 2–5 M⊙ 질량 간극을 벗어나기 위한 GRB 조건(예: SN 연관성, 지속 기간, 원천 질량 등) 규명하기.
• GRB 초질량흡착이 대질량 항성 질량 BH 형성에 기여하는 정도 평가하기.

제안 방법

• 에너지 및 운동량 보존을 통해 식 (1)–(3)을 이용해 BH 질량과 스핀 진화 모델링하며, BH 스핀 a∗에 따라 안정 궤도 파rameter가 달라진다.
• 식 (4)–(5)를 통해 BZ 제트 출력을 통합하며, ΩF = ΩH/2를 가정하고, LBZ는 10^49에서 10^51 erg s⁻¹ 범위이다.
• 식 (6)을 사용해 GRB 제트 빛의 세기 추정하며, 등방성 에너지 Eγ,iso, 운동 에너지 Ek,iso, 적색이동 z, 제트 반개구역 각도 θj에 기반한다.
• 관측된 GRB 샘플 데이터(T90, 적색이동, 등방성 에너지)를 사용해 질량흡착률과 시간에 따라 변화하는 BH 진화 제약하기.
• LGRB의 하위형태(초신성 연관 여부 유무), SGRB의 NS-NS 또는 NS-BH 융합에서의 평균 BH 질량 증가 계산하기.
• GRB 광선 곡선에서 유도된 시간에 따라 변화하는 질량흡착률 프로파일을 사용해 중심 엔진 활성 단계 동안 BH 성장 시뮬레이션하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장수명 GRB(LGRB)에서 중성미자 상쇄가 초기 3 M⊙ 블랙홀을 낮은 질량 간극을 초월해 성장시킬 수 있는가?
• RQ2 LGRB에서 초신성(SN) 연관의 유무가 초질량흡착에 의한 BH 질량 증가에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 블랜드포르트-즈나예크(BZ) 제트가 LGRB와 단수명 GRB(SGRB)에서 BH 질량 증가에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 압축된 물체 융합(NS-NS 또는 NS-BH)에서 형성된 BH가 초질량흡착을 통해 낮은 질량 간극을 벗어날 수 있는가? 그리고 어떤 초기 조건이 필요한가?
• RQ5 제트 개구역 각도와 이후광 활동이 총 BH 질량 증가와 질량 간극 벗어남에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초기 3 M⊙ BH를 가진 LGRB의 경우, 중성미자 상쇄는 50% 이상의 경우에서 낮은 질량 간극을 초월해 BH를 성장시킬 수 있으며, 특히 초신성이 연관되지 않은 경우에 특히 그렇다.
• 초신성이 연관되지 않은 LGRB에서 BH 질량 증가는 초신성 연관 LGRB보다 뚜렷이 높다(초기 스핀 a∗,0 = 0.5일 때 평균 증가량 ~5.8 M⊙ 대비 ~2.1 M⊙), 이는 더 무거운 원천 질량 또는 낮은 폭발 에너지를 시사한다.
• Blandford-Znajek 메커니즘은 LGRB에서 BH 질량 증가에 거의 기여하지 않으며, 최적 조건에서도 평균 증가량이 < 0.16 M⊙ 이하이다.
• NS-NS 융합에서 기인한 SGRB의 경우, 초질량흡착은 BH가 낮은 질량 간극을 벗어나는 데 실패하며, 평균 증가량은 오직 ~0.23 M⊙ 이다.
• NS-BH 융합의 경우, 초기 BH 질량이 5 M⊙에 가까울 때에만 간극을 벗어날 수 있으며, 그렇지 않으면 성장이 부족하다.
• 결과는 하한선이며, 디스크 기체 유출로 인해 중성미자 빛의 세기와 자기장 강도가 감소해 질량흡착력이 약화지므로 이를 고려한 결과이다.