[论文解读] Observational consequences of structured jets from neutron star mergers in the local Universe

Nihar Gupte, I. Bartos|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2018

Advanced X-ray and CT Imaging被引用 6

一句话总结

本文研究了中子星并合中结构化伽马射线喷流的观测后果，以GRB170817A为原型。结果表明，结构化辐射可提高本地宇宙中的探测率，预测约30%的引力波探测到的并合事件具有可观测的伽马暴对应体，约10%的观测到的短伽马暴发生在200 Mpc以内，双中子星并合率约为500 Gpc⁻³ yr⁻¹。

ABSTRACT

The recent multi-messenger discovery of binary neutron star (BNS) merger GW170817 showed that $γ$-ray emission in short GRBs is wider than the central energetic narrow cone, and weakly expands out to tens of degrees. Here we explore some of the observational consequences of this structured emission, taking the reconstructed angular emission profile of gamma-ray burst GRB170817A to be typical. We calculate the expected fraction of gravitational-wave observations from BNS mergers that will have an observed GRB counterpart to be $\sim30\%$, implying that joint gravitational-wave and GRB observations will be common. Further, we find that $\sim10\%$ of observed short GRBs occur within 200 Mpc. Finally, we estimate a BNS merger rate of $\sim500$ Gpc$^{-3}$yr$^{-1}$.

研究动机与目标

• 理解中子星并合中结构化伽马射线辐射对多信使探测率的影响。
• 量化喷流轴外观测角度及弱延伸辐射对本地宇宙中短伽马暴观测率的影响。
• 基于观测到的伽马暴探测统计与结构化喷流模型，估算本地双中子星并合率。
• 调和观测到的短伽马暴率与引力波探测推断的并合率之间的差异。
• 评估结构化喷流对附近源伽马暴探测率的影响，相较于遥远、高度束状的事件。

提出的方法

• 作者采用GRB170817A的重建角向辐射分布作为结构化喷流的基准模型，假设其代表双中子星并合产生的典型短伽马暴。
• 通过在不同观测角度上积分结构化喷流分布，计算引力波探测到的双中子星并合事件中具有可观测伽马暴对应体的比例。
• 利用Margutti等人（2018年）模拟的结构化喷流分布估算短伽马暴的探测体积，假设探测范围可达喷流轴线40°以内。
• 通过将观测到的伽马暴率（Fermi-GBM和Swift-BAT每年约45个）缩放至约0.1 Gpc⁻³的有效探测体积，推导出本地双中子星并合率。
• 分析考虑了由于距离近，附近伽马暴即使辐射较弱，也能在更大观测角度被探测到。
• 模型假设结构化喷流分布的有效范围为40°以内，因此在更大角度可能探测到的事件未被包含，使结果保持保守。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于结构化喷流辐射，预计有多少比例的引力波探测到的双中子星并合事件具有可观测的短伽马暴对应体？
• RQ2 考虑到延伸辐射分布，预计有多少比例的观测到的短伽马暴源自地球200 Mpc以内？
• RQ3 基于观测到的伽马暴探测率与结构化喷流模型，本地双中子星并合率密度的隐含值是多少？
• RQ4 结构化辐射如何影响附近伽马暴的探测率，相较于遥远、高度束状的伽马暴？
• RQ5 引入结构化喷流在多大程度上解决了观测到的短伽马暴率与双中子星并合率之间的差异？

主要发现

• 由于结构化喷流辐射，预计约30%的引力波探测到的双中子星并合事件具有可观测的短伽马暴对应体。
• 预计约10%的观测到的短伽马暴源自地球200 Mpc以内，表明相当一部分附近伽马暴在距离上尚未被探测到。
• 本地双中子星并合率密度估计为~500 Gpc⁻³ yr⁻¹，与LIGO/Virgo观测结果一致，但高于部分群体合成模型的预测。
• 基于结构化喷流分布与每年约45个的观测伽马暴探测率，短伽马暴的探测体积估计为~0.1 Gpc⁻³。
• 该模型解释了为何附近伽马暴并不明显比遥远伽马暴更亮，因为大角度处的弱辐射被距离优势所补偿。
• 结果具有保守性，因为结构化喷流分布仅在40°以内被验证，若在更大角度也能探测到，本地探测率可能进一步提高。