[논문 리뷰] Short gamma-ray bursts from tidal capture and collisions of compact stars in globular clusters

William H. Lee, E. Ramírez-Ruiz외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 09. 15.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 단기 감마선 폭발(SGRBs)이 중력파 방출에 의해 유도되는 이중성 병합이 아니라, 은하구름 중심부의 밀집된 항성 간의 tidal capture와 충돌에서 기인할 수 있다고 제안한다. 세밀한 항성 역학 및 유체역학 모델링을 통해 저자들은 이러한 사건들이 관측된 SGRB의 빈도와 적색편이 분포와 일치하는 충분한 에너지와 사건 빈도를 생성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

A new mechanism is proposed by which short gamma-ray burst (SGRB) production can be achieved. In this new paradigm, it is supposed that the compact objects contained within a globular cluster (GC) interact through close encounters, rather than being driven together by pure gravitational wave emission in existing binaries. The corresponding event rates within galaxies have previously been shown to be much too low to be of interest. Here we perform a careful assessment of the relevant processes and stellar dynamics within GCs as these undergo core collapse over cosmic time. We show that such events are frequent enough in their cores to be consistent both with current observational rate demands for SGRB production and with the widening range of observed redshifts of the associated hosts. Precise modeling of the hydrodynamics allows for a detailed description of the encounter, and our calculations show that there is in principle no problem in accounting for the global energy budget of a typical SGRB. The particulars of each collision, however, are variable in several aspects, and can lead to interesting diversity. First and most importantly, the characteristics of the encounter are highly dependent on the impact parameter. This is in contrast to the merger scenario, where the masses of the compact objects dictate a typical length and luminosity scale for SGRB activity. Second,

연구 동기 및 목표

• 은하구름 중심부에서의 밀집 항성 간 타이드 캡처와 충돌이 관측 가능한 빈도로 단기 감마선 폭발(SGRBs)을 생성할 수 있는지 조사하기.
• 일반적인 SGRBs의 에너지 예산이 이러한 역학적 만남에 의해 충족될 수 있는지 평가하기.
• 충돌 기하학과 영향 매개변수의 역할이 표준 병합 시나리오와 대비하여 SGRB 특성을 어떻게 형성하는지 평가하기.
• 이러한 과정에서 유도되는 사건 빈도가 현재의 SGRB 주변 은하 적색편이 및 총 빈도 관측 제약 조건과 일치하는지 확인하기.

제안 방법

• 핵심 붕괴를 겪는 은하구름 내 항성 역학을 모델링하여 밀집된 물체의 만남 빈도를 추정하기.
• 밀집된 항성 간의 가까운 만남 동안의 유체역학적 상호작용을 시뮬레이션하여 에너지 방출 및 유동 특성 평가하기.
• 영향 매개변수와 항성 질량에 따른 SGRB 빛의 세기와 시간 상한의 의존도 계산하기.
• 수치 시뮬레이션을 사용하여 총 에너지 출력을 계산하고, 일반적인 SGRBs의 관측된 에너지 예산과 비교하기.
• 핵심 붕괴 진화를 통합하고 은하 내 은하구름 집단을 고려하여 최종 사건 빈도 평가하기.
• 예측된 SGRB 주변 은하 적색편이 분포를 관측 결과와 비교하여 일관성 테스트하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하구름 중심부에서의 밀집 항성 간 타이드 캡처와 충돌이 관측 결과와 일치하는 에너지 특성을 가진 SGRBs를 생성할 수 있는가?
• RQ2 밀집 항성 만남의 영향 매개변수는 결과 SGRB의 빛의 세기와 지속 시간에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 이러한 충돌에서 유도된 예측 사건 빈도는 SGRB 주변 은하의 관측된 빈도와 적색편이 분포와 일치하는가?
• RQ4 이러한 만남의 역학적 및 유체역학적 특성은 이중성 병합 시나리오와 어떻게 다를까?
• RQ5 일반적인 SGRB의 에너지 예산이 이러한 충돌에서 방출되는 운동 에너지로 완전히 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 은하구름 중심부에서의 밀집 항성 간 타이드 캡처와 충돌은 관측 결과와 일치하는 에너지 특성을 가진 SGRBs를 생성할 수 있다.
• 각 사건의 에너지 출력은 영향 매개변수에 크게 의존하여 SGRB 특성의 내재적 다양성을 초래한다.
• 이러한 역학적 만남에서 유도되는 사건 빈도는 현재의 SGRB 빈도 및 적색편이 분포 관측 제약 조건을 충족할 정도로 충분히 높다.
• 유체역학 시뮬레이션은 일반적인 SGRB의 총 에너지 예산이 이러한 충돌에 의해 설명될 수 있음을 확인한다.
• 특히 밀집된 밀집 항성 밀도가 높은 환경에서는 이중성 병합 외에 타당한 SGRB 생성 메커니즘이 된다.
• 영향 매개변수에 따른 만남 결과의 변동성은 관측된 다양성과 일치하는 다양한 SGRB 빛의 세기와 지속 시간을 초래한다.