[論文レビュー] The Smoking Guns Of Short Hard Gamma Ray Bursts

S. Dado, Arnon Dar|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、短いハードガンマ線バースト（SHBs）が、中性子星合体に伴い発生する回転駆動型ミリ秒パルサー（MSP）から発せられる高相対論的ジェットに起因すると提案する。X線後光光度曲線、特に延長放出を示すものについては、MSPの減速エネルギー出力の予測と一致し、$ (1 + t/t_b)^{-2} $ の減衰則に従うことが示され、ブラックホールやマグネタール起源説に対して強い反証となる。本モデルは、4つの調整可能なパラメータを用いて20件の高精度で測定されたSHB後光を良好にフィットする。

ABSTRACT

The X-ray afterglow of short hard bursts (SHBs) of gamma rays provides compelling evidence that SHBs are produced by highly relativistic jets launched in the birth of rotationally powered millisecond pulsars in merger of neutron stars and/or in mass accretion on neutron stars in low mass X-ray binaries. Gravitational wave detection of relatively nearby neutron star mergers by Ligo-Virgo, followed by far off-axis short GRBs or orphan afterglows of beamed away SHBs with an MSP-like light curve will verify beyond doubt the neutron star merger origin of SHBs.

研究の動機と目的

• 短いハードガンマ線バースト（SHBs）の真の起源を特定すること。これは、超新星やマグネタールモデルを除外した後でも未解決のままである。
• SHBのX線後光が、マグネタールやブラックホールではなく、回転駆動型ミリ秒パルサー（MSP）によって駆動されているかどうかを検証すること。
• MSPの減速放射出力とジェットビーミング効果を用いて、SHB後光の物理的に妥当なモデルを提供すること。
• 後光光度曲線の形状、スペクトルの軟化、偏光といった観測的特徴を通じて、MSP起源のSHBsを検証すること。
• 非軸上SHBに由来する検出可能な「オーファン後光」を予測し、将来の重力波とX線追従観測による確認を可能とすること。

提案手法

• 式 (9) で記述される延長放出（EE）と式 (4) で記述されるMSP駆動放射を組み合わせた二成分光度曲線を用いて、SHBのX線後光をモデル化し、パラメータ$ a_{ee} $を介して滑らかな遷移を実現（式 (10)）。
• MSPの減速を表す$ P \dot{P} = K $則（式 (1)）を用い、これにより得られる放射出力$ L_{ps}(t) \propto (1 + t/t_b)^{-2} $が、後光の減衰（式 (4)）を支配することを示す。
• Swift-XRTが観測したX線光度曲線を式 (10) でフィットし、EEの減衰とMSPの減衰のそれぞれに2つの自由パラメータを割り当てて、合計4つの調整可能なパラメータを用いる。
• Swift-XRTリポジトリに登録された20件の高精度で測定されたSHB後光に対して、モデルをテストし、最良のフィットパラメータは表Iに示す。
• 非軸上SHBでは線形偏光度$ \Pi \approx 1 $、EEの減衰中には$ \Pi \to 0 $になると予測され、これはジェットビーミングの観測的検証に役立つ。
• 推定されたMSP初期周期$ P_i $が理論的下限値（$ > 0.2 $ ms）を満たしているかを評価し、中性子星合体や相転移による形成を支持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 延長放出を示すSHBのX線後光光度曲線は、回転するミリ秒パルサーの予測される$ (1 + t/t_b)^{-2} $減衰と一致するか？
• RQ2 非軸上SHBにおいて観測された$ (1+z)E_p \propto E_{\text{iso}}^{1/2} $相関は、相対論的ジェットによる逆コンプトン散乱と整合するか？
• RQ3 SHBの延長放出における急速なスペクトルの軟化と速い減衰は、ジェット放射からMSP駆動後光への遷移によって説明可能か？
• RQ4 モデルから推定されたMSP初期周期$ P_i $は、物理的下限値$ > 0.2 $ ms を満たしているか？ これは中性子星合体由来の形成を支持するか？
• RQ5 非軸上SHBに由来するオーファン後光が、MSPに類似した光度曲線を示して検出可能か？ また、それらは中性子星合体由来のSHBを確認する手がかりとなるか？

主な発見

• 20件の高精度で測定されたSHBのX線後光光度曲線は、式 (10) で記述される延長放出とMSP駆動減衰の組み合わせにより、4つの調整可能なパラメータを用いて良好にフィットされた。
• 非軸上SHBにおいて観測された$ (1+z)E_p \propto E_{\text{iso}}^{1/2} $相関は、相対論的ジェットによる逆コンプトン散乱の予測と一致した。
• 延長放出の急速なスペクトルの軟化と速い減衰は、式 (9) がジェットからMSP支配への遷移をモデル化することで良好に記述された。
• モデルから推定されたMSP初期周期$ P_i $は、すべて$ 0.2 $ msの下限値を超えており、中性子星合体または相転移による形成と整合的であった。
• 本モデルは、極めて非軸上なSHBやオーファン後光が$ (1 + t/t_b)^{-2} $の減衰則に従うと予測しており、LIGO-Virgoの重力波トリガーを用いた主要な検証が可能となる。
• プロンプト放射および延長放出の偏光測定により、ジェットビーミングモデルを検証可能であり、非軸上バーストでは$ \Pi \approx 1 $、EE減衰中には$ \Pi \to 0 $になると予測される。