[논문 리뷰] Implications of GRB 130603B and its macronova for r-process nucleosynthesis

Tsvi Piran, Oleg Korobkin외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 09.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 단기 감마선 폭발 GRB 130603B와 그 연관된 매크로노바가 질량이 큰 r-과정 원소들(A > 130)의 주요 공급원으로서 밀도가 높은 이중성 천체 합성(CBMs)임을 직접적으로 뒷받침하는 증거를 제시한다. 관측된 적외선 신호를 바탕으로, 저자들은 최소 0.02 M☉의 탈출 질량을 추정하였으며, 이는 CBM 모델과 은하 화학 진화와 일치한다. 또한 태양계 형성 이래로 근처에서 일어난 이중성 천체 합성 사건이 있었음을 시사한다.

ABSTRACT

The tentative identification of a Li-Paczynski macronova following the short GRB 130603B indicated that a few hundredths of a solar mass of neutron star matter were ejected and that this ejected mass has radioactively decayed into heavy r-process elements. If correct, this confirms long standing predictions (Eichler, Livio, Piran and Schramm 1989) that on the one hand, sGRBs are produced in compact binary mergers (CBMs) and on the other hand that these events are significant and possibly dominant sources of the heavy (A>130) r-process nuclei. Assuming that this interpretation is correct we obtain a lower limit of 0.02 m_sun on the ejected mass. Using the current estimates of the rate of sGRBs and with a beaming factor of 50, mergers associated with sGRBs can produce all the observed heavy r-process material in the Universe. We confront this conclusion with cosmochemistry and show that even though such events are rare, mixing is sufficient to account for the current homogeneous distribution of r-process material in the Galaxy. However, the appearance of significant amounts of Eu in some very low metallicity stars requires that some mergers took place very early on, namely with a very short time delay after the earliest star formation episodes. Alternatively, an additional early r-processsource may have contributed at that early stage. Finally, we note that evidence for short lived {244}^Pu in the very early solar system suggests that a merger of this kind took place within the vicinity of the solar system shortly (a few hundred million years) before its formation.

연구 동기 및 목표

• 관측된 GRB 130603B 뒤이어 발생한 매크로노바가 밀도가 높은 이중성 천체 합성(CBMs)이 r-과정 원소의 주요 공급원임을 확인하는지 테스트하기 위해.
• 관측된 매크로노바 빛의 세기와 관련된 최소 탈출 질량을 결정하고, CBMs 내 r-과정 핵합성을 제약하기 위해.
• 밀도가 높은 이중성 천체 합성의 r-과정 모델을 은하 화학 진화와 조율하기 위해, 특히 질량이 큰 r-과정 원소의 초기 및 균일한 분포를 설명하기 위해.
• 초기 태양계에서 244Pu의 존재가 최근 지역 r-과정 사건과 일치하는지 평가하기 위해.
• GRB 130603B의 탈출 물질이 뒤이어 발생하는 방사선 신호의 탐지 가능성 평가를 통해 CBM 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 관측된 GRB 130603B 연관 매크로노바의 적외선 광도곡선 분석을 통해 방사성 붕괴 에너지와 탈출 물질 질량을 추정하기 위해.
• 관측된 매크로노바 빛의 세기와 A > 130인 r-과정 원소 생성을 연결하기 위해 핵합성 네트워크 계산을 사용하기 위해.
• 유도된 방사성 가열률과 관측된 빛의 세기를 바탕으로 최소 탈출 질량(m_ej > 0.02 M☉)을 추정하기 위해.
• 비틀림 인자 약 50를 고려한 예측된 합성율을 질량이 큰 r-과정 원소의 관측 우주 농도와 비교하기 위해.
• 은하 혼합 과정( turbulent mixing, 비대칭 회전)을 모델링하여 은하수 내 r-과정 원소의 균일성 평가하기 위해.
• EVLA 감도 예측을 사용하여 탈출 물질이 합성 주변 물질과 상호작용할 때 발생하는 방사선 신호의 탐지 가능성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 130603B의 매크로노바 신호는 밀도가 높은 이중성 천체 합성에서 질량이 큰 r-과정 핵합성을 뒷받침하는가?
• RQ2 관측된 매크로노바 빛의 세기를 생성하기 위해 필요한 최소 탈출 질량은 얼마이며, 이는 합성 동역학을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 은하수 내 질량이 큰 r-과정 원소의 관측된 균일한 분포는 CBM 기반 핵합성과 효율적인 혼합에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ4 초기 태양계에서 244Pu의 존재는 태양계 형성 이래 약 1억 년 이내에 근처에서 발생한 밀도가 높은 이중성 천체 합성과 일치하는가?
• RQ5 GRB 130603B의 탈출 물질이 방사선 신호를 방출할 수 있으며, 그 탐지 가능성은 어떠한가? 그리고 그러한 탐지 결과는 CBM 모델에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• GRB 130603B 뒤이어 관측된 매크로노바는 최소 0.02 M☉의 탈출 질량을 암시하며, 이는 밀도가 높은 이중성 천체 합성에서 발생하는 동역학적 탈출과 일치한다.
• 유도된 탈출 질량과 합성율은 비틀림 인자 약 50를 고려할 경우, 우주 전역에서 관측된 모든 질량이 큰 r-과정 물질을 설명하는 데에 충분하다.
• 빠른 은하 혼합 메커니즘( turbulent 속도 약 150 km/s 포함)은 은하수 내 r-과정 원소의 관측된 균일한 분포를 설명할 수 있다.
• 초기 태양계에서 244Pu의 탐지 결과는 태양계 형성 이래 약 1억 년 이내에 근처에서 발생한 밀도가 높은 이중성 천체 합성과 일치한다.
• 탈출 물질이 합성 주변 물질과 상호작용할 때, 약 몇 십 마이크로줄리(μJy) 수준의 탐지 가능한 방사선 신호가 약 수개월에서 1년 내로 예상되며, EVLA로 관측 가능할 수 있다.
• GRB 130603B의 매크로노바가 가지는 관측된 특성들은 높은 탈출 질량과 속도를 고려할 때 블랙홀의 관여가 가능하다는 점을 고려할 때 일관된다.