[논문 리뷰] Short GRBs with small opening angles: implications on local neutron star merger rate and GRB/GW association

Zhi-Ping Jin, Xiang Li외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 23.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 GRB 150424A 및 GRB 160821B를 포함한 아홉 개의 단기 감마선 파동우주선(비정상 감마선 폭발, SGRBs)의 후광 빛의 늦은 시기 광학 관측을 분석하여 분열각($θ_{\text{jet}} \sim 0.1$ 라디안)을 측정하고, 이로 인해 지역 중성자별 병합 속도를 약 $\sim 130~{\rm Gpc^{-3}~yr^{-1}}$로 보수적으로 추정한다. 이 값은 최대 10배 높을 수 있으며, 이는 고급 LIGO/Virgo 탐지 가능성을 높인다. 또한, 비균일한 분열구조 모델이 감마선 폭발과 중력파 연관 확률을 크게 향상시켜 최대 약 $\sim 10\%$까지 증가시킴을 보여준다.

ABSTRACT

Short duration GRBs (SGRBs) are widely believed to originate from neutron star mergers and the merger rate can be estimated via the observed GRB rate with the correction of the outflow half-opening angles. The jet breaks in the afterglow lightcurves of SGRBs, rarely detected so far, are crucial for such an approach. In this work we report the detection of jet decline behaviors in the late optical afterglows of GRB 150424A and GRB 160821B and find $ heta_{ m j}\sim 0.1$ rad. Together with the four events (GRB 051221A, GRB 090426A, GRB 111020A and GRB 130603B) reported before 2015 and the other three identified recently (GRB 050709, GRB 060614 and GRB 140903A), we thus have a sample consisting of nine SGRBs (including one long-short event) with a reasonably estimated $ heta_{ m j}$. In particular, three events in the sample are local (i.e., their redshifts are $\leq 0.2$), with which we can conservatively estimate the local neutron star merger rate density to be $\sim 130~{ m Gpc^{-3}~yr^{-1}}$, and the real value may be $\sim 10$ times higher, suggesting a very promising detection prospect of advanced LIGO/Virgo in their full sensitivity runs. Inspired by the typical $ heta_{ m j}\sim 0.1$ rad found in the current sample, we further investigate whether the off-beam GRBs (in the uniform jet model) or the off-axis events (in the structured jet model) can significantly enhance the GRB/GW association or not. For the former the enhancement is at most moderate, while for the latter the enhancement can be much greater and a high association probability of $\sim 10\%$ is possible.

연구 동기 및 목표

• 측정된 분열각을 바탕으로 관측된 SGRB 후광 감쇠 특성을 이용해 지역 중성자별 병합 속도를 추정하는 것.
• 균일한 분열구조 모델과 비균일한 분열구조 모델 간의 기하학적 차이가 SGRB와 중력파 연관 탐지 가능성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• GRB 인구 통계 자료를 바탕으로 고급 LIGO/Virgo가 중성자별 병합에서 발생하는 중력파 신호를 탐지할 가능성에 대해 평가하는 것.

제안 방법

• 측정된 분열각과 적색편이 정보를 이용해 관측된 SGRB 후광 감쇠 특성을 분석하여 분열각 감쇠 특징을 식별하는 것.
• 균일한 분열구조 모델과 비균일한 분열구조 모델을 사용해 후광 감쇠 행동을 해석하고 $\theta_{\text{jet}}$를 추론하는 것.
• 관측된 SGRB 발생률을 분열각과 적색편이 정보로 보정하여 지역 병합 속도 밀도를 추정하는 것.
• 비균일한 분열구조 모델과 균일한 분열구조 모델 간의 GRB/GW 연관 확률을 비교하며, 비축방향 탐지 확률을 고려하는 것.
• 지역 SGRB 세 개($z \leq 0.2$)를 포함하여 지역 병합 속도의 보수적인 하한을 도출하는 것.
• 비균일한 분열구조 시나리오에서 비축방향 복사로 인한 GRB/GW 동시 탐지 확률 향상 정도를 정량적으로 모델링하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정된 분열각을 가진 SGRBs에서 유도된 지역 중성자별 병합 속도 밀도는 얼마인가요?
• RQ2 균일한 분열구조 모델과 비균일한 분열구조 모델 간의 선택이 예측된 GRB/GW 연관 확률에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 비균일한 분열구조 모델에서 비축방향 SGRBs는 중력파 동시 탐지 가능성에 얼마나 기여하나요?
• RQ4 여러 SGRBs에서 관측된 $\theta_{\text{jet}} \sim 0.1$ 라디안의 일반적 특성은 실제 병합 속도와 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 보수적인 추정치와 잠재적 과소계산을 고려할 때 실제 지역 병합 속도의 상한선은 얼마인가요?

주요 결과

• 세 개의 지역 SGRB($z \leq 0.2$)를 사용해 지역 중성자별 병합 속도 밀도를 약 $\sim 130~{\rm Gpc^{-3}~yr^{-1}}$로 추정하였다.
• 실제 지역 병합 속도는 보수적인 추정치보다 최대 10배 높을 수 있으며, 이는 고급 LIGO/Virgo에서의 높은 탐지 빈도를 암시한다.
• 표본에서 관측된 일반적인 $\theta_{\text{jet}} \sim 0.1$ 라디안은 비축방향 또는 비축방향 SGRBs의 높은 비율을 지지한다.
• 균일한 분열구조 모델에서는 비축방향 복사로 인해 GRB/GW 연관 확률 향상 정도가 보통 수준이다.
• 비균일한 분열구조 모델에서는 연관 확률이 최대 $\sim 10\%$까지 도달할 수 있으며, 이는 균일한 모델보다 유의미하게 높다.
• 결과적으로, 비균일한 분열구조 모델에서의 비축방향 SGRBs는 GRB와 중력파 동시 탐지의 유망한 후보로 보인다.