[論文レビュー] Afterglows and Macronovae Associated with Nearby Low-Luminosity Short-Duration Gamma-Ray Bursts

Di Xiao, Liang-Duan Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、二つの中性子星の合体に伴う近距離低光度短期間ガンマ線バースト（SGRB）の後光およびマクロノーバ放射を調査し、構造化されたジェットによる非軸対称放射と、本質的に低エネルギーのフレイバルによる準等方的放射の両方をモデル化している。多波長の後光光度曲線とスペクトル進化が、これらの2つの状況を区別できることを示しており、後続観測によって噴出物質量、速度、周囲媒体密度の制約が可能になる。

ABSTRACT

A binary neutron star (BNS) merger has been widely argued to be one of the progenitors of a short gamma-ray burst (SGRB). This central engine can be verified if its gravitational-wave (GW) event is detected simultaneously. Once confirmed, this kind of association will be a landmark in multi-messenger astronomy and will greatly enhance our understanding of the BNS merger processes. Due to the limited detection horizon of BNS mergers for the advanced LIGO/Virgo GW observatories, we are inclined to local SGRBs within few hundreds of mega-parsecs. Since normal SGRBs rarely fall into such a close range, to make it more observationally valuable, we have to focus on low-luminosity SGRBs which have a higher statistical occurrence rate and detection probability. However, there is a possibility that an observed low-luminosity SGRB is intrinsically powerful but we are off-axis and only observe its side emission. In this paper, we provide some theoretical predictions of both the off-axis afterglow emission from a nearby SGRB under the assumption of a structured jet and the macronova signal from the ejecta of this GW-detectable BNS merger. From the properties of the afterglow emission, we could distinguish an off-axis normal SGRB from an intrinsically low-energy quasi-isotropic class. Furthermore, with follow-up multi-wavelength observations, a few parameters for BNS mergers (e.g. the medium density and the ejecta mass and velocity) would be constrained.

研究の動機と目的

• アドバンスド・リゴ/バーヴォの範囲（数百Mpc）内での低光度SGRBの検出可能性を評価すること。ここでは、BNS合体の重力波イベントが予想される。
• 後光光度曲線とスペクトル進化を用いて、本質的に低光度SGRBと強力なSGRBの非軸対称放射を区別すること。
• BNS合体噴出物からのマクロノーバ放射の性質を予測し、それらを後光信号と比較してモデルの区別を試みること。
• 多波長後続観測を通じて、噴出物質量、速度、周囲媒体密度といった主要なBNS合体パラメータを制約すること。
• 多メッセンジャー時代におけるBNS合体の重力波イベントに対する電磁対応体を特定するための観測的指針を提供すること。

提案手法

• 臨界角θcとべき乗則的ジェットプロファイルを持つ普遍的な構造化ジェットを用いて、非軸対称後光放射をモデル化し、一定密度の宇宙空間媒体内での相対論的ビーム効果と減速を仮定する。
• 観測角度（θobs）と周囲密度（n = 1–10⁻⁴ cm⁻³）を変化させた多波長後光光度曲線（X線、Rバンド、電波）を計算する。
• これらの非軸対称モデルを、等方的運動エネルギーEiso ≈ 1.2×10⁴⁸ ergを有する準等方的フレイバルモデルと比較する。これは本質的に低光度SGRBを表す。
• 噴出物質量と速度に基づいてマクロノーバ光度曲線とスペクトル進化をシミュレートする。ジェットエネルギーと噴出物エネルギーのスケーリング関係を仮定する。
• 非軸対称状況における固有ジェット出力と観測光度の関係を表す、観測フラックス比ε₀/εobs ∝ (θc/θobs)⁻ᵏ を用いる。
• 光度曲線とスペクトルの時間的進化を分析し、2つのSGRB状況の特徴を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力なSGRBの構造化ジェットによる非軸対称放射は、本質的に低光度で準等方的なSGRBと観測的に区別可能か？
• RQ2 X線、光学、電波バンドにおいて、非軸対称と等方的SGRBモデルの後光光度曲線とスペクトル進化はどのように異なるか？
• RQ3 各モデルにおける予想されるマクロノーバの明るさと進化は何か？また、それらは後光放射とどのように比較されるか？
• RQ4 多波長後続観測により、噴出物質量、速度、周囲媒体密度といった主要なBNS合体パラメータを制約できるか？
• RQ5 GW検出可能なBNS合体に対する電磁対応体の探索を支援する観測的シグナルは何か？

主な発見

• 非軸対称SGRBの後光光度曲線は、準等方的フレイバルと比較してよりゆっくりと上昇し、ピークも遅れる。X線およびRバンドではピーク時間に最大4桁の差が生じ、電波帯では3桁の差が生じる。
• 非軸対称ケースのX線光度曲線はn = 1 cm⁻³の場合に約10⁴ sでピークに達するが、等方的ケースは約10⁰ sでピークに達する。これは時間的進化における顕著な差を示している。
• スペクトル進化では明確な違いが見られる：非軸対称モデルは初期に平坦なスペクトルとより硬いピークを示すが、等方的モデルは初期にピークに達し、急速に進化する。
• 等方的フレイバル状況のマクロノーバ信号は、非軸対称の強力SGRB状況に比べてはるかに弱くなる。これはジェットエネルギーに比例する噴出物エネルギーのスケーリングが低いことによる。
• 観測された後光フラックス比ε₀/εobs ∝ (θc/θobs)⁻ᵏ を用いることで、観測光度から固有ジェット出力を推定でき、モデルの区別が可能になる。
• 多波長後続観測により、観測角度、噴出物質量、噴出物速度、周囲媒体密度を制約可能であり、BNS合体物理学に関する重要な知見が得られる。