[论文解读] Gamma-ray bursts and density evolution of neutron star binary mergers

Philippe Bagot, Simon Portegies Zwart+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本文通过群体合成与恒星形成历史，对中子星双星的宇宙并合率密度进行建模，表明在 z < 2 时，结果 n_c(z) ∝ (1+z)^{1.5–2} 与伽马射线暴（GRB）前身体的红移演化一致。研究发现，低红移的明亮GRB可能起源于螺旋星系，而暗淡的高红移爆发则主要存在于椭圆星系中，其源位置可能与宿主星系存在高达1 Mpc的位移。

ABSTRACT

The evolution of the comoving cosmic merger-rate density of neutron star binaries n_c(z) is calculated using a distribution of their merging times provided by population-synthesis computations of binary stars. We adopt an exponential law for the star formation rate with various timescales for different morphological types of galaxies. For elliptical galaxies also an initial burst of star formation, lasting one Gyr, is considered. The resulting n_c(z) of most models agree with the form n_c(z) \propto (1+z)^{1.5-2} for z &lt; 2, which has been proposed for the source population of gamma-ray bursts. Assuming a standard candle luminosity, the computed brightness distribution is consistent with the BATSE results if bursts at the peak flux threshold, P = 0.4 photons cm^{-2}/s, are located at a limiting redshift of 1.9 to 3.3. Progenitors of the systems producing gamma-ray bursts at small redshift (bright) are likely to host in spiral galaxies and star forming regions whereas these at high redshift (dim) reside mainly in elliptical galaxies. The location of a burst may be up to a Mpc away from the host galaxy.

研究动机与目标

• 确定中子星双星的共动并合率密度的红移演化。
• 评估预测的并合率演化是否与伽马射线暴的观测红移分布一致。
• 基于并合 times 和恒星形成历史，研究GRB前身体的宿主星系类型与空间分布。
• 评估模型的亮度分布是否与BATSE观测结果一致。

提出的方法

• 使用群体合成模型计算中子星双星的并合时间分布。
• 通过不同星系形态的指数律变化时间常数来建模恒星形成率。
• 为椭圆星系加入初始1 Gyr的恒星形成爆发，以更好地反映其形成历史。
• 通过红移并合时间并积分宇宙时间，计算共动并合率密度 n_c(z)。
• 通过假设GRB为标准烛光亮度，将模型的亮度分布与BATSE数据进行比较。
• 基于双星动力学与抛射速度，考虑GRB位置与宿主星系之间高达1 Mpc的空间位移。

实验结果

研究问题

• RQ1 预测的中子星双星并合率的红移演化是否与伽马射线暴数据中观测到的 (1+z)^{1.5–2} 依赖关系一致？
• RQ2 低红移与高红移的GRB前身体分别由何种类型的星系宿主？
• RQ3 由于新生冲力或动力学抛射，GRB前身体最多可与宿主星系发生多远的位移？
• RQ4 模型预测的亮度分布是否与BATSE观测到的通量分布一致？
• RQ5 不同的恒星形成历史（如指数型与爆发型）在塑造并合率密度演化中起何种作用？

主要发现

• 在 z < 2 时，共动并合率密度 n_c(z) 遵循 n_c(z) ∝ (1+z)^{1.5–2}，与GRB前身体推断的形式一致。
• 当峰值通量阈值为 P = 0.4 光子 cm⁻² s⁻¹ 的爆发位于红移 1.9 至 3.3 之间时，模型预测的亮度分布与BATSE数据一致。
• 明亮、低红移GRB的前身体可能宿主于螺旋星系及恒星形成区域。
• 暗淡、高红移GRB的前身体主要存在于椭圆星系中。
• 由于新生冲力或动力学抛射，GRB的位置可能与宿主星系存在高达1 Mpc的位移。
• 该模型支持短时伽马射线暴起源于中子星双星并合的假设，其宿主星系类型与红移取决于并合 timescale 与恒星形成历史。