[論文レビュー] Black Stars and Gamma Ray Bursts

Tanmay Vachaspati|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2007

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、重力赤方偏移のため、シュバルツシルト半径付近で凍結しているように見えるが、真のブラックホールでない『ブラックスタースター』同士の衝突が、ガンマ線バースト（GRBs）の起源である可能性を提案している。このモデルは、ブラックホール合体と類似した重力波を伴い、短時間にわたって非常に強いガンマ線放射を発生すると想定しており、観測されたGRBsと一致するエネルギー推定値を示している。

ABSTRACT

Stars that are collapsing toward forming a black hole but are frozen near the Schwarzschild horizon are termed "black stars". Collisions of black stars, in contrast to black hole collisions, may be sources of gamma ray bursts, whose basic parameters are estimated quite simply and are found to be consistent with observed gamma ray bursts. Black star gamma ray bursts should be preceded by gravitational wave emission similar to that from the coalescence of black holes.

研究の動機と目的

• ブラックスタースター（事象の地平線付近で凍結しているとされる古典的崩壊物体）が、ガンマ線バーストの物理的起源として機能しうるかを検討すること。
• 特にガンマ線放射という電磁的特徴により、ブラックスタースターの衝突とブラックホール合体を区別すること。
• 古典的一般相対性理論を用いて、ブラックスタースター衝突によるガンマ線放射のエネルギー、効率、時間スケールを推定すること。
• ブラックスタースター合体に伴う検出可能な重力波の先行信号を検討し、ブラックホール合体信号との類似性を評価すること。

提案手法

• ブラックスタースターを、放出放射の無限赤方偏移により、シュバルツシルト半径付近で可視的であり、真の事象の地平線を形成しないようにするコンパクトで暗い物体としてモデル化する。
• 全非弾性衝突を仮定し、運動エネルギーを放射に変換すると仮定して、$ E \sim Mv^2 $ を用いて衝突するブラックスタースターの運動エネルギーを推定する。
• 光通過時間 $ R/c \sim 10^{-5} \, \text{s} $ に基づき、放射出力は $ P \sim 10^{53} \, \text{erg/s} $ と推定され、質量に依存しない。
• 陽子あたりの光子エネルギーは $ E_\gamma \sim m_p v^2 \sim 1 \, \text{keV} \cdot (v/300 \, \text{km/s})^2 $ と推定され、特徴的なガンマ線エネルギースケールが導かれる。
• 質量や速度に依存しないモデルの不変量として、普遍的な比 $ P/E_\gamma \approx 10^{62} \, \text{sec}^{-1} $ を導出する。
• ブラックホール合体とは異なり、ブラックスタースターの衝突のみが、重力波とともに電磁放射（ガンマ線）を発生させることを比較検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シュバルツシルト半径付近で凍結しているブラックスタースター同士の衝突が、観測と整合するガンマ線バーストを生成しうるか？
• RQ2 ブラックスタースター衝突の電磁放射は、ブラックホール合体と比較して、エネルギー、時間スケール、スペクトル的特徴においてどのように異なるか？
• RQ3 ブラックスタースター合体に伴うガンマ線バーストの前に予想される重力波シグナルはどのようなものか？また、ブラックホール合体シグナルとはどのように異なるか？
• RQ4 観測されたガンマ線バーストの明るさと持続時間は、提示されたブラックスタースター衝突モデルで定量的に再現可能か？
• RQ5 検出可能な電磁的および重力波的シグナルの観点から、ブラックスタースター衝突と原始ブラックホール合体とはどのように区別できるか？

主な発見

• ブラックスタースター衝突で放射される全エネルギーは、$ E \sim 10^{48} \left( \frac{M}{M_\odot} \right) \left( \frac{v}{300 \, \text{km/s}} \right)^2 \, \text{ergs} $ と推定され、観測されたガンマ線バーストエネルギーと整合的である。
• 放射出力は $ P \sim 10^{53} \, \text{erg/s} $ であり、光通過時間 $ R/c \sim 10^{-5} \, \text{s} $ のため、ブラックスタースターの質量に依存しない。
• 特徴的な光子エネルギーは $ E_\gamma \sim 1 \, \text{keV} \cdot (v/300 \, \text{km/s})^2 $ であり、典型的な速度では約1 keVのガンマ線エネルギースケールを示唆する。
• 比 $ P/E_\gamma \approx 10^{62} \, \text{sec}^{-1} $ は、質量や速度に依存しないモデルの普遍的不変量である。
• ブラックスタースター合体に伴うガンマ線バーストは、ブラックホール合体と類似した波形の重力波を伴い、電磁的対応体（ガンマ線）を併せ持つ。
• リゴとフェルミの観測では、重力波イベントに続くガンマ線バーストが観測され、明るさは $ \sim 10^{49} \, \text{erg/s} $、遅延は $ \sim 0.4 \, \text{s} $ であり、ブラックスタースターのシナリオと定性的に整合的である。