[논문 리뷰] On the role of a cavity in the hypernova ejecta of GRB 190114C

R. Ruffini, Julio David Melon Fuksman외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 05.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 16인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 이차 방출 피크가 이차 방출 피크가 발생한 후 블랙홀 형성 이후 초신성 물질에서 형성된 저밀도 공동의 벽에 의해 전자-양전자-광자 플라즈마가 반사됨으로써 발생한다고 제안한다. 유체역학적 시뮬레이션과 분석 모델링은 반사된 플라즈마가 11–20초의 고정된 기준 프레임 간격과 일치하는 특징이 없는 방출 尾를 생성함을 확인하며, 양성자 밀도가 10⁻¹⁴ g/cm³로 감소하여 내부 엔진 메커니즘을 통한 고에너지 방출이 가능해짐을 보여준다.

ABSTRACT

Within the binary-driven hypernova I (BdHN I) scenario, the gamma-ray burst GRB190114C originates in a binary system composed of a massive carbon-oxygen core (CO$_{core}$), and a binary neutron star (NS) companion. As the CO$_{core}$ undergoes a supernova explosion with the creation of a new neutron star ($ν$NS), hypercritical accretion occurs onto the companion binary neutron star until it exceeds the critical mass for gravitational collapse. The formation of a black hole (BH) captures $10^{57}$ baryons by enclosing them within its horizon, and thus a cavity of approximately $10^{11}$ cm is formed around it with initial density $10^{-7}$ g/cm$^3$. A further depletion of baryons in the cavity originates from the expansion of the electron-positron-photon ($e^{+}e^{-}γ$) plasma formed at the collapse, reaching a density of $10^{-14}$ g/cm$^3$ by the end of the interaction. It is demonstrated here using an analytical model complemented by a hydrodynamical numerical simulation that part of the $e^{+}e^{-}γ$ plasma is reflected off the walls of the cavity. The consequent outflow and its observed properties are shown to coincide with the featureless emission occurring in a time interval of duration $t_{rf}$, measured in the rest frame of the source, between $11$ and $20$ s of the GBM observation. Moreover, similar features of the GRB light curve were previously observed in GRB 090926A and GRB 130427A, all belonging to the BdHN I class. This interpretation supports the general conceptual framework presented in Ruffini et al. (2019) and guarantees that a low baryon density is reached in the cavity, a necessary condition for the operation of the "inner engine" of the GRB presented in an accompanying article (Ruffini & Moradi 2019).

연구 동기 및 목표

• GRB 190114C의 이차 방출 피크의 기원을 설명한다. 이 피크는 소스 기준 프레임에서 11–20초 간 동안 관측된다.
• 이 간격에서 관측된 특징이 없는 방출이 초신성 잔여물 내 저밀도 공동의 벽에 의해 전자-양전자-광자 플라즈마가 반사됨으로써 발생한다는 것을 입증한다.
• 공동 형성 및 진화 과정이 내부 엔진이 작동하기 위해 필요한 조건을 만족함을 보여, BdHN I 시나리오를 검증한다. 이 내부 엔진은 테바 레벨 방출을 생성한다.
• 기타 GRB(예: 090926A, 130427A)의 유사한 광도 곡선 구조에 대해 이 해석을 확장하여, BdHN I 사건에서 일반적인 반사 메커니즘이 작용함을 지지한다.
• 2차원 상대론적 유체역학 시뮬레이션을 통해 관측된 에너지, 시간, 스펙트럼 진화가 제안된 모델과 일치함을 확인한다.

제안 방법

• 등방성 폭발과 일부 플라즈마의 반사를 가정하여 전자-양전자-광자 플라즈마와 공동 벽 간의 상호작용에 대한 분석 모델을 수립한다.
• PLUTO 코드를 사용하여 2차원 상대론적 유체역학적 시뮬레이션을 수행하여 플라즈마 동역학 및 공동 벽과의 상호작용을 모델링한다.
• 이전 시뮬레이션(Becerra 등, 2016)을 바탕으로, 블랙홀 형성 이전에 공동 형성 과정을 스무딩 입자 유체역학(SPH)으로 시뮬레이션한다.
• 시간적 통합 및 시간 해상도 스펙트럼을 관측과 비교하기 위해 스펙트럼 모델링을 적용하며, 절단된 파wer 법과 피크 에너지 Ep ≈ 252 keV를 사용하여 피팅한다.
• 공동 내의 양성자 밀도 변화를 분석하여, 플라즈마 팽창과 배출로 인해 밀도가 10⁻⁷ g/cm³에서 10⁻¹⁴ g/cm³로 감소함을 보여준다.
• GRB 190114C의 에피소드 3와 GRB 090926A 및 GRB 130427A의 시간 및 스펙트럼 특징을 비교하여 BdHN I 사건 간의 일관성을 확립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소스 기준 프레임에서 11초에서 20초 사이에 관측된 특징이 없는 방출 꼬리의 원인은 무엇인가?
• RQ2 초신성 잔여물 내 저밀도 공동 형성이 블랙홀 형성 이후 전자-양전자-광자 플라즈마의 동역학 및 관측 가능성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 관측된 스펙트럼 및 시간적 특성들이 공동 벽에 의한 반사 메커니즘으로 재현될 수 있는가?
• RQ4 이러한 반사 메커니즘은 090926A 및 130427A와 같은 다른 BdHN I 유형의 GRB에서도 일반적으로 적용 가능한가?
• RQ5 양성자 빈도 감소는 고에너지(테바 레벨) 방출을 담당하는 '내부 엔진'의 작동을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• GRB 190114C의 이차 방출 피크는 소스 기준 프레임에서 11~20초 사이에 발생하며, 이는 블랙홀 형성 이후 초신성 잔여물 내 형성된 저밀도 공동의 벽에 의해 전자-양전자-광자 플라즈마가 반사됨으로써 발생한다.
• 공동의 초기 밀도는 약 ~10⁻⁷ g/cm³이지만, 플라즈마 팽창으로 인해 ~10⁻¹⁴ g/cm³로 감소하여 내부 엔진이 작동하기 위한 저양성자 환경이 조성된다.
• PLUTO를 사용한 2차원 상대론적 유체역학 시뮬레이션은 반사된 플라즈마가 관측된 GRB 190114C의 에피소드 3와 일치하는 시간 및 에너지 특성을 가진 방출을 생성함을 확인한다.
• 에피소드 3의 시간적 통합 스펙트럼은 부드러운 파워 법 지수 α = -1.6 및 피크 에너지 Ep ≈ 252 keV를 가지며, 냉각 중인 공동 벽에서의 열 방출과 일치한다.
• 스펙트럼 진화가 부드러워지는 경향을 관측하였으며, 팽창하는 공동 벽의 냉각과 예상되는 바와 일치한다.
• 유사한 광도 곡선 구조를 보이는 다른 GRB(090926A: t_rf ≈ 5 s, 130427A: t_rf ≈ 11 s)에서 지연되고 특징이 없는 방출이 관측됨으로써, 이 반사 메커니즘이 BdHN I 유형 GRB에서 일반적으로 발생함을 지지한다.