[论文解读] GRB variabilities and following gravitational waves induced by gravitational instability in NDAFs

Narjes Shahamat, Shaharam Abbassi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 76被引用 5

一句话总结

本文提出，在黑洞周围的中微子主导吸积流（NDAFs）中，引力不稳定性通过团块形成驱动伽马射线暴（GRB）光 light curves 的时间变异性，引入一种类似 β-规范的黏性机制。该模型预测，迁移的碎片会产生可探测的引力波，尤其在低 β ∼ 10⁻⁵ 时，这些引力波可被 LIGO 和 Cosmic Explorer 探测到。

ABSTRACT

The present work proposes a new formalism for the inner regions of a neutrino-dominated accretion flows (NDAFs) by considering the self-gravity, where the neutrino opacity is high enough to make neutrinos trapped becoming a dominant factor in the transportation of energy and angular momentum over the magneto rotational instability. We investigate the possibility of gravitational instability and fragmentation to model the highly variable structure of the prompt emission in gamma-ray bursts (GRBs). The results lead us to introduce the gravitational instability, in these inner regions, as a source of a new viscosity which is of the same functional form as that of the $\beta$-prescription of viscosity. Such a consideration brings about fragmentation in the unstable inner disk. In addition, we find the consequent clumpy structure of this area capable to account for the temporal variability of GRB's light curve, especially for the lower choices of the parameter $\beta$, $\sim 10^{-5}$. Finally, we predict the formation of gravitational waves through the migration of fragments before being tidally disrupted. These waves appear to be detectable via a range of current and future detectors from LIGO to Cosmic Explorer.

研究动机与目标

• 研究内 NDAF 区域的引力不稳定性作为 GRB 主要辐射变异性驱动机制。
• 模拟自引力与高中微子不透明度如何在 NDAFs 中诱导一种新的黏性机制。
• 评估由碎片化形成的团块结构是否能重现观测到的 GRB 光曲线变异性。
• 预测碎片在潮汐破坏前迁移过程中产生的引力波辐射。
• 评估使用当前及未来探测器（如 LIGO 和 Cosmic Explorer）探测这些引力波的可能性。

提出的方法

• 将自引力纳入 NDAF 框架，假设高中微子不透明度主导能量与角动量输运。
• 将内盘建模为在高吸积率（≳0.1 M⊙s⁻¹）下热与黏性不稳定的系统，导致碎片化。
• 引入一种类似 β-规范的黏性机制，源于引力不稳定性，从而实现团块形成。
• 模拟碎片迁移与潮汐破坏过程，以估算引力波辐射特性。
• 评估从 LIGO 到 Cosmic Explorer 的波频（25–1000 Hz）与应变振幅（10⁻²³–5×10⁻²²）的可探测性。
• 假设逆流冷却为占主导地位的冷却机制，忽略辐射冷却与中微子-反中微子湮灭效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 自引力 NDAFs 中的引力不稳定性是否能产生观测到的 GRB 光曲线时间变异性？
• RQ2 引力不稳定性在 NDAFs 中产生的黏性机制的性质及其函数形式为何？
• RQ3 在此情景下，碎片迁移与潮汐破坏如何导致引力波辐射？
• RQ4 使用当前及未来探测器，这些引力波的可探测范围如何？
• RQ5 关于冷却机制的假设（如逆流冷却 vs. 光致分解）如何影响碎片化与引力波预测？

主要发现

• 内 NDAF 区域的引力不稳定性产生一种新的黏性机制，其函数形式与 β-规范一致，从而支持团块形成。
• 由此产生的团块结构能成功重现 GRB 光曲线的时间变异性，尤其在低 β ∼ 10⁻⁵ 时表现更佳。
• 引力波在碎片潮汐破坏前的迁移过程中产生，频率范围为 25 Hz 至 1000 Hz。
• 引力波的应变振幅在 10⁻²³ 至 5×10⁻²² 之间，使其可被 LIGO 及未来探测器（如 Cosmic Explorer）探测到。
• 较低的 β 值与观测结果更吻合，暗示需要较大的雷诺数，尽管中微子黏性对 MRI 的抑制仍是关键考量因素。
• 即使考虑光致分解冷却，该模型的核心预测依然稳健，尽管碎片特征与引力波估计值可能需相应调整。