[论文解读] Collapse of rotating stars in the Universe and the cosmic gamma ray bursts

А. И. Богомазов, V. Lipunov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用 27

一句话总结

本文提出，长暴和短暴分别起源于紧密双星系统中大质量Wolf-Rayet星的旋转坍缩以及中子星（NS）或黑洞（BH）的并合，分别形成快速旋转的Kerr黑洞或中子星及大质量吸积盘。利用情景模拟器（Scenario Machine），作者估算银河系中伽马射线暴（GRB）事件的速率，发现NS+NS和NS+BH并合以及WR星坍缩是可行的GRB前身体，其速率约为每年10⁻⁴至10⁻⁵，经考虑束流准直效应后与观测到的GRB速率一致。

ABSTRACT

We analyze here late evolutionary stages of massive (with initial mass higher than 8 masses of the Sun) close binary stars. Our purposes are to study possible mechanisms of gamma ray bursts (GRBs) origin. We suppose in this paper that GRB phenomenon require formation of massive (approx. 1 M_sun) compact (approx. 10 km) accretion disks around Kerr black holes and neutron stars. Such Kerr black holes are products of collapse of Wolf-Rayet stars in extremely close binaries and merging of neutron stars with black holes and neutron stars with neutron stars in close binary systems. Required accretion disks also can be formed around neutron stars which were formed during collapse of accreting oxygen-neon white dwarfs. We have estimated frequencies of events which lead to a rotational collapse concerned with formation of rapidly rotating relativistic objects in the Galaxy. We made our calculations using the "Scenario Machine".

研究动机与目标

• 研究在大质量双星演化背景下，长暴和短暴的天体物理机制。
• 确定紧密双星系统中Wolf-Rayet星的旋转坍缩以及致密天体并合是否能产生GRB形成所需的条件。
• 利用详细的双星演化建模估算这些GRB前身体事件在银河系中的发生速率。
• 评估关键参数（如轨道周期、质量比、共包层效率及反冲速度）对GRB事件频率的影响。

提出的方法

• 作者使用'情景模拟器'（Scenario Machine）模拟大质量紧密双星系统的演化，重点关注Wolf-Rayet星和致密天体双星。
• 他们建模了大质量恒星（M₀ ≥ 8M☉）在紧密双星系统中的旋转坍缩，假设形成具有大质量吸积盘的Kerr黑洞或中子星。
• 对于短暴，他们通过引力波驱动的螺旋并合评估NS+NS和NS+BH并合，引入参数化效率的共包层演化（α_CE）。
• 他们应用不同的恒星风模型（A、C）和质量比分布（α_q），以评估其对并合与坍缩速率的影响。
• 他们引入致密残骸的反冲速度（v₀）以检验与观测GRB束流及事件速率的一致性。
• 通过积分银河系恒星群体估算事件频率，并在考虑准直角（θ ~ 0.1 sr）后与观测GRB速率进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 由紧密双星系统中Wolf-Rayet星旋转坍缩产生的长暴在银河系中的预测速率是多少？
• RQ2 NS+NS和NS+BH在紧密双星系统中的并合产生短暴的预期速率是多少？
• RQ3 共包层效率（α_CE）、质量比（α_q）和临界轨道周期（P_crit）的变化如何影响预测的GRB前身体速率？
• RQ4 中子星反冲速度（v₀）在多大程度上影响并合速率与观测GRB频率的一致性？
• RQ5 这些提出的前身体情景能否解释观测到的GRB各向同性和光度函数？

主要发现

• 在P_crit = 1天且α_q = 2、α_CE = 0.5的条件下，通过紧密双星系统中Wolf-Rayet星旋转坍缩产生长暴前身体的估计速率为~3.2×10⁻⁶ yr⁻¹。
• 在标准参数下（恒星风A，α_q = 0，v₀ = 50 km/s），NS+NS并合速率估计为~7.3×10⁻⁵ yr⁻¹，当α_q = 2时增至~4×10⁻⁴ yr⁻¹。
• 在标准条件下，NS+BH并合速率约为6.5×10⁻⁵ yr⁻¹，但随着反冲速度升高而显著降低（例如，v₀ = 300 km/s时降至~9.8×10⁻⁶ yr⁻¹）。
• 氧-氖白矮星并合的频率较高（ONe+CO约为~1.1×10⁻³ yr⁻¹），但除非发生AIC（致密星坍缩），否则不被视为主要GRB来源。
• 为使GRB前身体模型保持可行性，必须排除反冲速度高于~100 km/s的情况，因为此类速度会使可观测并合速率低于观测GRB频率。
• 若临界轨道周期≤0.5天，则所有WR星坍缩情景在模型中均不产生GRB事件，表明P_crit ≈ 1–3天对可行长暴产生至关重要。