[논문 리뷰] Single star progenitors of long gamma-ray bursts I: Model grids and redshift dependent GRB rate

Sung-Chul Yoon, N. Langer외 1명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2006. 06. 26.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 51인용 수 248

한 줄 요약

이 논문은 다양한 금속성에서의 질량이 크고 회전하는 별의 진화 모델을 제시하여, 콜라프서 모델에 따라 장수간 펄서(그라마선 방출)가 형성되는 조건을 규명한다. 이 모델은 금속성 Z ≤ 0.004인 낮은 금속성 환경에서 GRB가 주로 발생하며, 약 50%가 적색편이 z > 4에서 발생하고, 전역적으로 평균 GRB 대 초신성 비율이 약 1/200이며, 저적색편이에서는 1/1250로 감소한다고 예측한다.

ABSTRACT

We present grids of massive star evolution models at four different metallicities (Z=0.004, 0.002, 0.001, 0.00001). The effects of rotation on the stellar structure and the transport of angular momentum and chemical elements through the Spruit-Tayler dynamo and rotationally induced instabilities are considered. After discussing uncertainties involved with the adopted physics, we elaborate the final fate of massive stars as a function of initial mass and spin rate, at each considered metallicity. In particular, we investigate for which initial conditions long gamma-ray bursts (GRBs) are expected to be produced in the frame of the collapsar model. Then, using an empirical spin distribution of young massive metal-poor stars and a specified metallicity-dependent history of star-formation, we compute the expected GRB rate as function of metallicity and redshift based on our stellar evolution models. The GRB production in our models is limited to metallicities of Z \lsim 0.004, with the consequence that about 50 % of all GRBs are predicted to be found at redshifts above z = 4, with most supernovae occurring at redshifts below z\simeq 2.2. The average GRB/SN ratio predicted by our model is about 1/200 globally, and 1/1250 at low redshift. Future strategies for testing the considered GRB progenitor scenario are briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 단일 대질량 별이 콜라프서 모델을 통해 장수간 펄서를 생성하는 조건을 규명하기 위해.
• 금속성과 회전이 대질량 별의 최종 운명에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 실제 측정된 자전 분포와 성간별 형성 역사 데이터를 활용하여 적색편이에 따라 변화하는 GRB 발생률을 계산하기 위해.
• 우주의 시간에 따라 GRB 대 초신성 비율을 제약 조건을 두고 분석하기 위해.
• 장수간 펄서의 단일 별 원천 시나리오를 검증하기 위한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 초기 질량 15에서 100 M☉ 사이의 별 진화 모델 격자를 Z = 0.004, 0.002, 0.001, 0.00001의 네 가지 금속성에서 구축하기 위해.
• 스프루잇-테일러 다이너모와 회전 불안정성을 통한 회전에 기인한 혼합을 적용하여 각운동량과 화학성분 이동을 모델링하기 위해.
• 젊고 금속 농도가 낮은 별의 실측 자전 분포를 활용하여 모델의 초기 자전 속도를 설정하기 위해.
• 금속성에 따라 달라지는 성간별 형성 역사를 적용하여 GRB 발생률의 적색편이 변화를 계산하기 위해.
• 단위 적색편이당 GRB 발생률을 계산하고 관측 제약 조건과 비교하기 위해.
• 모델 결과를 바탕으로 적색편이와 금속성에 따라 GRB 대 초신성 비율을 유도하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 금속성에서 콜라프서 모델에 따라 장수간 펄서 형성에 이르는 初기 질량과 자전 조건는 무엇인가?
• RQ2 금속성이 단일 대질량 별에서 GRB 생성 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 별 진화 모델과 성간별 형성 역사를 바탕으로 예측된 장수간 펄서의 적색편이 분포는 어떻게 되는가?
• RQ4 우주의 시간에 따라 기대되는 GRB 대 초신성 비율은 무엇이며, 금속성에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 회전에 기인한 혼합과 각운동량 이동은 저금속성 환경에서 대질량 별의 최종 운명에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• GRB 생성은 금속성 Z ≤ 0.004로 강하게 제한되며, 이보다 높은 금속성에서는 거의 발생하지 않는다.
• 전체 장수간 펄서의 약 50%가 적색편이 z > 4에서 발생할 것으로 예측되어 고적색편이 편향이 뚜렷하다.
• 전역적인 GRB 대 초신성 비율은 약 1/200로 예측되며, 저적색편이에서는 1/1250로 감소한다 (z ≲ 2.2).
• 대부분의 중심붕괴 초신성은 적색편이 z ≃ 2.2 이하에서 발생하지만, GRB는 상대적으로 고적색편이에서 훨씬 더 흔하게 발생한다.
• 회전에 기인한 혼합과 각운동량 이동은 별이 상대론적 제트를 가진 블랙홀을 형성할지 여부를 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 모델은 저금속성 환경이 GRB 형성에 유리하기 때문에 고적색편이에서 피크를 이룰 수 있는 이중 피크 분포를 예측한다.