[论文解读] How may short-duration GRBs form? A review of progenitor theories

Dorottya Szécsi|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 2

一句话总结

本文回顾了短时伽马射线暴（SGRBs）的理论原行星模型，重点探讨双黑洞并合作为引力波与电磁辐射的潜在来源。研究提出，低金属量、大质量双星中的化学均质演化（称为TWUIN恒星）可形成黑洞双星，其并合产生瞬态吸积盘，从而驱动SGRB。关键贡献在于将SGRB与引力波伴星联系到宿主TWUIN恒星的低金属量矮星系。

ABSTRACT

The origin of gamma-ray bursts (GRBs) is still a fascinating field of research nowadays. While we have been collecting more and more observationally constrained properties of GRB-physics, new theoretical results on the progenitor evolution (be it stellar or compact object) have also emerged. I review some of the most promising progenitor theories for forming a short-duration GRB. A special emphasis is put on the hypothetical case of forming a short-duration GRB through the double black hole merger scenario -- in which case we may expect to observe a gravitational wave emission too. The chemically homogeneous channel for forming a black hole binary is discussed, and the stellar progenitors (so called TWUIN stars) are introduced. The birth place of these short-duration GRBs with a gravitational wave counterpart may be low-metallicity, starforming dwarf galaxies.

研究动机与目标

• 研究短时伽马射线暴（SGRBs）的天体物理起源，特别是可能伴随引力波辐射的类型。
• 评估双黑洞并合作为SGRB原行星的可行性，这一情景此前被认为不太可能，原因在于缺乏重子物质。
• 探讨大质量双星中化学均质演化在形成可产生电磁对应体的黑洞双星中的作用。
• 识别潜在宿主环境——特别是低金属量、正在形成恒星的矮星系——其中此类SGRB-引力波事件可能发生。
• 评估检测到引力波与SGRB同时发生的理论与观测意义，尤其结合近期引力波观测结果。

提出的方法

• 分析中子星-中子星（NS+NS）和中子星-黑洞（NS+BH）并合的磁流体动力学模拟，以模拟喷流形成与吸积盘寿命。
• 回顾低金属量环境下大质量双星中化学均质演化的理论模型，重点探讨TWUIN恒星作为黑洞双星原行星的形成。
• 检验假设：在黑洞-黑洞（BH+BH）并合过程中，通过吸积物回流或吸积盘再激活，残余吸积盘可被重新激发，从而实现SGRB辐射。
• 考虑其他机制，如高度带电黑洞在并合期间因磁矩快速变化而产生电磁辐射。
• 利用恒星演化模型表明，TWUIN恒星——致密、高温、化学均质、风力微弱——仅在低金属量环境下形成，因质量损失被抑制。
• 提出TWUIN恒星的电离光子输出可能解释某些矮星系中无探测到X射线或沃尔夫-拉叶源的电离星际介质。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管缺乏重子物质，双黑洞并合是否仍能产生短时伽马射线暴？
• RQ2 哪些恒星演化路径可导致形成可通过吸积盘再激活驱动SGRB的黑洞双星？
• RQ3 化学均质演化与TWUIN恒星如何在低金属量环境中促成SGRB原行星的形成？
• RQ4 哪些观测特征可区分来自BH+BH并合的SGRB与来自NS+NS或NS+BH系统的SGRB？
• RQ5 低金属量矮星系的电离特性能否为TWUIN恒星及其相关SGRB事件的存在提供间接证据？

主要发现

• NS+NS并合的模拟显示，短暂形成一个超大质量中子星，随后坍缩为黑洞，维持约0.1秒的吸积盘，与短时伽马射线暴的典型持续时间一致。
• NS+NS与NS+BH并合可通过并合过程中释放的重子物质形成的吸积盘产生相对论性喷流，支持其作为SGRB原行星的可行性。
• 理论模型表明，若残余吸积盘通过吸积物回流或吸积盘再激活被重新激发，BH+BH并合可产生SGRB，尽管该机制尚不如基于NS的模型成熟。
• TWUIN恒星——大质量、致密、高温、化学均质——仅在低金属量环境中形成，因质量损失被抑制，使其在高金属量区域极为罕见。
• TWUIN恒星发射强He II电离辐射，可能解释某些矮星系中无探测到X射线或沃尔夫-拉叶源的电离星际介质。
• 低金属量、正在形成恒星的矮星系被预测为伴随引力波探测的SGRB事件的主要宿主环境，原因在于TWUIN恒星双星的普遍性。