[论文解读] Probing Long Gamma Ray Bursts progenitor mass by Gravitational Waves

Mariafelicia De Laurentis, F. Garufi+2 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种新方法，通过引力波（GW）能量辐射推断长伽马射线暴（LGRB）的前身体质量，结合前身体坍缩和残余物辐射的各向同性GRB能量 $E_{\text{iso}}^\text{GRB}$ 与GW能量 $E_{\text{iso}}^\text{GW}$。通过建模前身体和残余物（中子星/黑洞）的GW辐射，并对237个LGRB应用混合蒙特卡洛程序，研究得出了稳定的前身体质量（24–39 $M_\odot$）、残余物质量（2–7 $M_\odot$）和GW频率（250–500 Hz），其中GRB 060218的模型3与观测约束和先进GW探测器的可探测性最为一致。

ABSTRACT

In this work we present a procedure to infer the mass of progenitors and remnants of Gamma Ray Bursts (GRB), starting from the observed energy $E_{iso}^{GRB}$ emitted isotropically and considering the associated emission of Gravitational Waves (GW) $ E_{iso}^{GW}$ in the different phases. We assume that the GW energy of the progenitor $E_{PROG}^{GW}$ is emitted partially during a star collapse, and the residual energy is related to the GW energy emitted by the remnant. We take a sample of $237$ Long GRB, and use an hybrid Montecarlo procedure to explore, for each of them, a region of possible solutions of $ E_{iso}^{GW}$ as a function of the masses, radii, oblateness, rotation frequencies of progenitor and remnant and the fraction of energy $k$ emitted as GW by the GRB. We discriminate between a Neutron Star (NS) or Black Hole (BH) for the remnant and obtain interesting values for the GW emitted by the remnant NS or BH, for the conversion factor $k$ of and for the masses and radii of GRB progenitor stars. We also obtain remnant populations with mean masses, mean GW frequencies and GRB frequency of GW emission in agreement with the most accepted models.

研究动机与目标

• 开发一种利用引力波（GW）辐射推断长伽马射线暴（LGRB）前身体质量的方法。
• 将GRB的各向同性能量与核心坍缩和残余物形成期间辐射的GW能量相关联。
• 通过将GW辐射与探测器灵敏度曲线比较，区分中子星（NS）和黑洞（BH）残余物。
• 约束关键参数，如前身体质量、半径、旋转频率、扁率和GW能量转换因子 $k$。
• 使用两个研究较充分的GRB（030329和060218）验证模型，并评估当前和未来GW探测器的可探测性。

提出的方法

• 假设GRB的各向同性能量 $E_{\text{iso}}^{\text{GRB}}$ 的一部分 $k$ 转化为引力波能量 $E_{\text{iso}}^{\text{GW}}$。
• 将总GW能量建模为 $E_{\text{PROG}}^{\text{GW}} = E_{\text{iso}}^{\text{GW}} + E_{\text{RMN}}^{\text{GW}}$，其中 $E_{\text{RMN}}^{\text{GW}}$ 为残余物（NS或BH）的GW辐射。
• 应用混合蒙特卡洛程序探索前身体和残余物质量、半径、旋转频率、扁率和 $k$ 的参数空间。
• 使用无量纲GW振幅 $h_0$ 将预测信号与LIGO、VIRGO和爱因斯坦望远镜（ET）的灵敏度曲线进行比较。
• 施加物理约束：前身体质量 $10M_\odot \leq M \leq 60M_\odot$，并考虑低金属度下C/O ≤ 1的沃尔夫-拉叶星。
• 在GRB 030329和GRB 060218上测试模型，利用SN 2006aj的关联和前身体半径约束验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过坍缩阶段的引力波能量辐射约束长伽马射线暴的前身体质量？
• RQ2 LGRB前身体中引力波能量转换因子 $k$ 的可能取值范围是什么？
• RQ3 前身体和残余物参数（质量、半径、旋转频率、扁率）如何与观测到的GRB各向同性能量相关？
• RQ4 哪种残余物类型（NS或BH）与观测到的GW辐射和探测器灵敏度更一致？
• RQ5 该模型能否通过GW可探测性区分GRB 060218和GRB 030329的可行物理情景？

主要发现

• 对于GRB 030329，模型1中前身体质量估计为 $39 \pm 10\,M_\odot$，残余物质量为 $2 \pm 0.8\,M_\odot$，GW辐射频率为507 Hz。
• 对于GRB 060218，模型1中前身体质量为 $27 \pm 8\,M_\odot$，残余物质量为 $2 \pm 0.5\,M_\odot$，GW频率为514 Hz。
• 大多数模型中，能量转换因子 $k$ 稳定估计为 $5 \times 10^{-6}$，但GRB 060218的模型3中 $k = 56 \times 10^{-6}$。
• GRB 060218的模型3在可探测性方面更受青睐：其预测的GW振幅 $h_{\text{iso}}$ 超过先进GW探测器的灵敏度曲线，而其他模型则未达到。
• 前身体扁率 $\epsilon_{\text{PRG}}$ 范围为0.07至0.15，残余物扁率 $\epsilon_{\text{Remn}}$ 范围为 $3 \times 10^{-7}$ 至 $2 \times 10^{-5}$，表明存在显著形变。
• 研究发现，残余物的GW辐射对总 $E_{\text{PROG}}^{\text{GW}}$ 有显著贡献，因此在能量预算中包含 $E_{\text{RMN}}^{\text{GW}}$ 是合理的。