[论文解读] On the rate and on the gravitational wave emission of short and long GRBs

R. Ruffini, Juan Rodríguez+14 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 152被引用 20

一句话总结

本文提出了一套统一的双星前身体框架，用于短伽马射线暴（GRBs）和长伽马射线暴（GRBs），基于致密天体组合（如 COcore-NS、NS-BH）将它们分类为七个亚类。该框架模拟了这些系统产生的引力波（GW）辐射，并评估了 Advanced LIGO、Virgo、eLISA 和共振棒探测器的可探测性，表明此前被认为不辐射引力波的长GRBs，可通过紧密双星中的诱导引力坍缩产生可探测的引力波，其中 BdHNe 和 XRFs 对引力波和 GRB 的率预算有显著贡献。

ABSTRACT

On the ground of the large number of gamma-ray bursts (GRBs) detected with cosmological redshift, we classified GRBs in seven subclasses, all with binary progenitors originating gravitational waves (GWs). Each binary is composed by combinations of carbon-oxygen cores (CO$_{ m core}$), neutron stars (NSs), black holes (BHs) and white dwarfs (WDs). The long bursts, traditionally assumed to originate from a BH with an ultra-relativistic jetted emission, not emitting GWs, have been subclassified as (I) X-ray flashes (XRFs), (II) binary-driven hypernovae (BdHNe), and (III) BH-supernovae (BH-SNe). They are framed within the induced gravitational collapse (IGC) paradigm with progenitor a CO$_{ m core}$-NS/BH binary. The supernova (SN) explosion of the CO$_{ m core}$ triggers an accretion process onto the NS/BH. If the accretion does not lead the NS to its critical mass, an XRF occurs, while when the BH is present or formed by accretion, a BdHN occurs. When the binaries are not disrupted, XRFs lead to NS-NS and BdHNe lead to NS-BH. The short bursts, originating in NS-NS, are subclassified as (IV) short gamma-ray flashes (S-GRFs) and (V) short GRBs (S-GRBs), the latter when a BH is formed. There are (VI) ultra-short GRBs (U-GRBs) and (VII) gamma-ray flashes (GRFs), respectively formed in NS-BH and NS-WD. We use the occurrence rate and GW emission of these subclasses to assess their detectability by Advanced LIGO-Virgo, eLISA, and resonant bars. We discuss the consequences of our results in view of the announcement of the LIGO-Virgo Collaboration of the source GW 170817 as being originated by a NS-NS.

研究动机与目标

• 基于致密天体组合（COcore、NS、BH、WD）将长GRBs和短GRBs重新归类为统一的双星前身体框架。
• 重新评估传统上被认为不辐射引力波的长GRBs的引力波辐射潜力。
• 估算当前和未来探测器（Advanced LIGO、Virgo、eLISA、共振棒）对GRB相关引力波的可探测性。
• 通过将GRB观测率与双星演化和超临界吸积过程联系起来，调和观测到的GRB率与理论模型之间的差异。
• 将 GW170817 NS-NS 并合事件解释为短GRBs和U-GRBs双星前身体模型的验证。

提出的方法

• 根据前身双星系统将GRBs分为七个亚类：(I) XRFs，(II) BdHNe，(III) BH-SNe，(IV) S-GRFs，(V) S-GRBs，(VI) U-GRBs，(VII) GRFs。
• 将诱导引力坍缩（IGC）模型应用于长GRBs，模拟超临界吸积从超新星喷射物向致密伴星（中子星或黑洞）的演化。
• 利用光度函数和宇宙GRB率，通过卷积计算本地观测事件率密度，其中红移无关函数 f(z) = 1。
• 采用距离受限探测方法（Schaefer 2007），根据峰值流量阈值计算 zmax(L)，使用探测器特定的视场和运行时间。
• 利用估计的率和引力波辐射模型评估引力波可探测性，包括并合 timescales 和物质环境的清洁度。
• 结合轨道动力学和非瞬时质量损失效应（如超新星激波穿越时间），评估超新星爆发后双星系统的存活能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 传统上被认为不辐射引力波的长GRBs，是否可通过双星前身体模型被重新解释为可探测引力波的来源？
• RQ2 在 LIGO、Virgo、eLISA 和共振棒探测器中，所提出的七种子类GRBs的可探测引力波辐射率是多少？
• RQ3 XRFs、BdHNe 和 BH-SNe 的估计率与观测到的长GRB率相比如何？这对前身体模型有何启示？
• RQ4 非瞬时质量损失和超新星激波穿越在决定 COcore-NS 双星是否能存活并形成 NS-BH 或 NS-NS 双星中起什么作用？
• RQ5 最近的 GW170817 NS-NS 并合事件如何支持所提出的短GRBs和超短GRBs双星前身体框架？

主要发现

• XRF 亚类的本地观测率为 ρXRF = 100+45−34 Gpc−3 yr−1，与低光度长GRBs一致。
• BdHNe 亚类的本地观测率为 ρBdHN = 0.77+0.09−0.08 Gpc−3 yr−1，与高光度长GRB率匹配。
• BH-SN 亚类的率受 BdHNe 率限制，ρBH−SN ≲ 0.77+0.09−0.08 Gpc−3 yr−1，表明其来自极小部分（0.5–5%）的超剥离双星。
• 紧密的 COcore-NS 双星（Porb ≲30 分钟）在超新星爆发后仍可存活，若超新星激波穿越时间与轨道周期相当，则可形成 νNS-BH 双星，其引力波驱动并合时间尺度约为 ∼10^4 年。
• U-GRB 亚类（NS-BH 并合）被预测源自 BdHNe 的幸存者，具有清洁的并合环境，且可能产生超短GRB辐射。
• 该模型将 GW170817 NS-NS 并合解释为 S-GRBs 和 S-GRFs 的前身体，验证了短GRBs的双星起源，并将该框架扩展至 U-GRBs 和 GRFs。