[논문 리뷰] Stellar evolution with rotation XIII: Predicted GRB rates at various Z

Raphaël Hirschi, G. Meynet외 1명|ArXiv.org|2005. 07. 14.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 39인용 수 101

한 줄 요약

이 논문은 다양한 금속성에서 회전하는 거대한 별을 모델링하여 감마선 폭발(GRB) 발생률을 예측한다. 그 결과, 단지 저금속성(Z ≈ Z_SMC)에서 형성되고 질량이 50 M⊙ 이상인 WO형 월프레이너 별만이 세 가지 콜라프서 모델 조건(흑구 형성, 수소 대기권 손실, 충분한 각운동량)을 만족함을 밝혀냈다. WO 별에서 예측된 GRB 발생률은 관측 결과와 매우 유사한 반면, 모든 월프레이너 별을 원천으로 가정하는 모델은 그렇지 못하다.

ABSTRACT

We present the evolution of rotation in models of massive single stars covering a wide range of masses and metallicities. These models reproduce very well observations during the early stages of the evolution (in particular WR populations and ratio between type II and type Ib,c at different metallicities, see Meynet & Maeder 2005). Our models predict the production of fast rotating black holes. Models with large initial masses or high metallicity end their life with less angular momentum in their central remnant with respect to the break-up limit for the remnant. Many WR star models satisfy the three main criteria (black hole formation, loss of hydrogen-rich envelope and enough angular momentum to form an accretion disk around the black hole) for gamma-ray bursts (GRB) production via the collapsar model (Woosley 1993). Considering all types of WR stars as GRB progenitors, there would be too many GRBs compared to observations. If we consider only WO stars (type Ic supernovae as is the case for SN2003dh/GRB030329, see Matheson et al. 2003) as GRBs progenitors, the GRBs production rates are in much better agreement with observations. WO stars are produced only at low metallicities in the present grid of models. This prediction can be tested by future observations.

연구 동기 및 목표

• 별의 회전과 금속성이 빠르게 회전하는 블랙홀과 GRB 원천의 생성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 모델 예측과 관측된 GRB 발생률 사이의 괴리를 해결하기 위해, 어떤 월프레이너 별 유형이 실질적인 GRB 원천이 될 수 있는지 규명하기 위해.
• 각운동량 유지와 대기권 손실을 분석하여 단일 거대 별이 콜라프서 모델의 타당성을 검증하기 위해.
• 금속성이 WO 별 형성에 미치는 영향과 GRB 은하계 특성에 대한 함의를 조사하기 위해.
• 향후 자기 브레이킹을 포함한 모델에 대한 기준을 제공하기 위해.

제안 방법

• 회전 혼합과 금속성에 따라 달라지는 질량 손실를 고려한 최신 물리 모델을 적용한 제네바 별진화 코드를 사용함.
• 주계열에서 핵 붕괴에 이르는 동안 각운동량의 변화를 추적하여 중심 잔여물의 스핀과 회전 붕괴 한계를 집중적으로 분석함.
• 표면 조성과 진화 단계에 따라 월프레이너 별을 WN, WC, WO 유형으로 분류하여 GRB 원천 잠재력 평가.
• 블랙홀 형성, 수소 대기권 손실, 충분한 각운동량을 만족하는 모델을 식별하여 GRB 생산률을 계산함.
• 모든 월프레이너 별과 WO 별만을 고려한 경우의 예측된 GRB 발생률을 관측 데이터와 비교하여 일치도 평가.
• 초기 자전 속도와 각운동량 보존 조건을 고려하여 WO 별 형성의 금속성 의존성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 콜라프서 모델에 따르면, 어떤 유형의 월프레이너 별이 장수명 연속 감마선 폭발의 실질적인 원천이 될 수 있는가?
• RQ2 모든 월프레이너 별을 기반으로 한 예측된 GRB 발생률는 관측된 값과 어떻게 비교되며, 그 괴리의 이유는 무엇인가?
• RQ3 WO 별 형성의 금속성 의존성은 무엇이며, GRB 발생률 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 자기 브레이킹 모델은 GRB에 필요한 충분한 각운동량을 생성하지 못하는가? 이는 WO 별과 어떻게 다를까?
• RQ5 이중성 상호작용 없이도 단일 거대 별이 WO 별만 원천이면 GRB를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 오직 저금속성(Z ≈ Z_SMC)에서 형성된 WO형 월프레이너 별만이 GRB 생성을 위한 세 가지 콜라프서 모델 조건을 모두 만족함을 예측한다.
• 모든 월프레이너 별을 원천으로 가정한 GRB 발생률은 관측된 값보다 크게 초과하여, 모든 월프레이너 별이 GRB 원천이 될 수는 없다는 것을 시사한다.
• WO 별만을 원천으로 고려할 경우, 예측된 GRB 발생률는 관측 데이터와 훨씬 더 잘 일치한다.
• WO 별은 모델에서 오직 저금속성에서만 형성되며, 이는 GRB 은하계가 저금속성이고 파란색이라는 관측 결과와 일치한다.
• 초기 질량이 50 M⊙ 이상이고 저금속성(Z ≈ Z_SMC)인 별들은 중심 잔여물에서 충분한 각운동량을 유지하여 GRB 형성을 가능하게 한다.
• 자기 브레이킹은 WO 별에 비해 중성자별 형성 별보다 효과가 떨어질 것으로 예상되며, 이는 짧은 수명과 적색 초거성 단계가 없기 때문에 각운동량 보존이 더 잘 유지되어 GRB 형성에 유리할 수 있다.