[论文解读] Single star progenitors of long gamma-ray bursts I: Model grids and redshift dependent GRB rate

Sung-Chul Yoon, N. Langer+1 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jun 26, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 51被引用 248

一句话总结

本文针对不同金属丰度下的大质量旋转恒星，构建了演化模型，以确定通过坍缩星模型形成长伽马射线暴（GRBs）的条件。结果预测，GRBs主要产生于低金属丰度环境（Z ≤ 0.004），约50%的GRBs发生在红移z > 4的区域，且全球平均GRB与超新星之比约为1/200，低红移时下降至1/1250。

ABSTRACT

We present grids of massive star evolution models at four different metallicities (Z=0.004, 0.002, 0.001, 0.00001). The effects of rotation on the stellar structure and the transport of angular momentum and chemical elements through the Spruit-Tayler dynamo and rotationally induced instabilities are considered. After discussing uncertainties involved with the adopted physics, we elaborate the final fate of massive stars as a function of initial mass and spin rate, at each considered metallicity. In particular, we investigate for which initial conditions long gamma-ray bursts (GRBs) are expected to be produced in the frame of the collapsar model. Then, using an empirical spin distribution of young massive metal-poor stars and a specified metallicity-dependent history of star-formation, we compute the expected GRB rate as function of metallicity and redshift based on our stellar evolution models. The GRB production in our models is limited to metallicities of Z \lsim 0.004, with the consequence that about 50 % of all GRBs are predicted to be found at redshifts above z = 4, with most supernovae occurring at redshifts below z\simeq 2.2. The average GRB/SN ratio predicted by our model is about 1/200 globally, and 1/1250 at low redshift. Future strategies for testing the considered GRB progenitor scenario are briefly discussed.

研究动机与目标

• 确定单颗大质量恒星通过坍缩星模型形成长伽马射线暴的条件。
• 研究金属丰度和旋转对大质量恒星最终命运的影响。
• 利用经验自转分布和星形成历史，计算红移相关的GRB发生率。
• 约束宇宙时空中GRB与超新星之比，并考虑金属丰度的影响。
• 为检验长GRBs单星前身体模型提供一个框架。

提出的方法

• 构建初始质量在15至100 M☉之间的恒星演化模型网格，金属丰度为Z = 0.004、0.002、0.001和0.00001四种水平。
• 通过Spruit-Tayler对流机制和旋转不稳定性，引入旋转引起的混合过程，以模拟角动量和化学元素的输运。
• 利用年轻、低金属丰度恒星的经验自转分布，为模型提供初始自转速率。
• 应用与金属丰度相关的星形成历史，计算GRB发生率的红移演化。
• 计算单位红移的GRB发生率，并与观测约束进行比较。
• 基于模型结果，推导GRB与超新星之比作为红移和金属丰度的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同金属丰度下，哪些初始质量和自转条件会导致坍缩星模型中长GRB的形成？
• RQ2 金属丰度如何影响单颗大质量恒星产生GRB的可能性？
• RQ3 基于恒星演化模型和星形成历史，长GRB的预测红移分布是什么？
• RQ4 在宇宙时空中，GRB与超新星的预期比例是多少？该比例如何随金属丰度变化？
• RQ5 旋转混合和角动量输运如何影响低金属丰度环境中大质量恒星的最终命运？

主要发现

• GRB的产生被强烈限制在金属丰度Z ≤ 0.004的环境中，在更高金属丰度下可忽略不计。
• 约50%的长GRBs预测发生在红移z > 4的区域，表明存在强烈的高红移偏倚。
• 全球GRB与超新星之比预测约为1/200，低红移时（z ≲ 2.2）下降至1/1250。
• 大多数核心坍缩超新星发生在红shift低于z ≃ 2.2的区域，而GRBs在更高红移区域则显著更常见。
• 旋转引起的混合和角动量输运在决定恒星是否形成具有相对论喷流的黑洞中起着关键作用。
• 该模型预测GRB发生率呈双峰分布，由于低金属丰度环境有利于GRB形成，峰值出现在高红移区域。