[论文解读] Stellar evolution with rotation XIII: Predicted GRB rates at various Z

Raphaël Hirschi, G. Meynet+1 more|ArXiv.org|Jul 14, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 39被引用 101

一句话总结

本文通过模拟不同金属丰度下的旋转大质量恒星，预测伽马射线暴（GRB）的产生率，发现只有在低金属丰度（Z ≈ Z_SMC）下形成的WO型沃尔夫-拉叶星（质量 >50 M⊙）满足三重极光模型的全部条件（黑洞形成、氢包层损失、足够角动量）。由WO星预测的GRB产生率与观测结果高度一致，而假设所有沃尔夫-拉叶星均为前身星的模型则不符合观测。

ABSTRACT

We present the evolution of rotation in models of massive single stars covering a wide range of masses and metallicities. These models reproduce very well observations during the early stages of the evolution (in particular WR populations and ratio between type II and type Ib,c at different metallicities, see Meynet & Maeder 2005). Our models predict the production of fast rotating black holes. Models with large initial masses or high metallicity end their life with less angular momentum in their central remnant with respect to the break-up limit for the remnant. Many WR star models satisfy the three main criteria (black hole formation, loss of hydrogen-rich envelope and enough angular momentum to form an accretion disk around the black hole) for gamma-ray bursts (GRB) production via the collapsar model (Woosley 1993). Considering all types of WR stars as GRB progenitors, there would be too many GRBs compared to observations. If we consider only WO stars (type Ic supernovae as is the case for SN2003dh/GRB030329, see Matheson et al. 2003) as GRBs progenitors, the GRBs production rates are in much better agreement with observations. WO stars are produced only at low metallicities in the present grid of models. This prediction can be tested by future observations.

研究动机与目标

• 研究恒星自转与金属丰度如何影响快速旋转黑洞及GRB前身星的形成。
• 通过识别哪些沃尔夫-拉叶星类型是可行的GRB前身星，解决理论预测与实际观测GRB产生率之间的差异。
• 通过分析角动量保留与包层损失，检验单颗大质量恒星是否满足极光模型的可行性。
• 研究金属丰度在WO星形成中的作用及其对GRB宿主星系性质的影响。
• 为未来包含磁制动效应的模型提供基准，以进一步优化GRB产生率的预测。

提出的方法

• 采用更新了物理模型的日内瓦恒星演化代码，包括自转混合与金属丰度相关的质量损失。
• 追踪从主序到核心坍缩过程中角动量的演化，重点关注中心残余物的自转速度与旋转破裂极限。
• 根据表面成分与演化阶段，将沃尔夫-拉叶星分类为WN、WC与WO型，以评估其作为GRB前身星的潜力。
• 通过识别满足三个极光模型条件的模型来计算GRB产生率：黑洞形成、氢包层损失、足够角动量。
• 将所有沃尔夫-拉叶星与仅WO星作为前身星的理论GRB产生率与观测数据进行对比，以评估一致性。
• 评估WO星形成对金属丰度的依赖性，考虑初始自转速度与角动量守恒。

实验结果

研究问题

• RQ1 根据极光模型，哪些类型的沃尔夫-拉叶星是长软伽马射线暴的可行前身星？
• RQ2 所有沃尔夫-拉叶星的理论GRB产生率与观测值相比如何？为何存在差异？
• RQ3 WO星形成的金属丰度依赖性是什么？它如何影响GRB产生率的预测？
• RQ4 为何包含磁制动的模型无法产生足够的角动量以形成GRB？这与WO星有何不同？
• RQ5 若WO星是唯一的前身星，单颗大质量恒星（无双星相互作用）能否形成GRB？

主要发现

• 模型预测表明，只有在低金属丰度（Z ≈ Z_SMC）下形成的WO型沃尔夫-拉叶星，才能完全满足极光模型中GRB形成的三个条件。
• 若将所有沃尔夫-拉叶星均视为前身星，理论GRB产生率远超实际观测值，表明并非所有沃尔夫-拉叶星都可作为GRB前身星。
• 当仅考虑WO星作为前身星时，理论GRB产生率与观测数据高度一致。
• WO星仅在低金属丰度下形成，这与观测结果一致：GRB宿主星系普遍为低金属丰度且呈蓝色。
• 初始质量 >50 M⊙ 且金属丰度低（Z ≈ Z_SMC）的恒星，其核心残余物能保留足够角动量，从而形成GRB。
• 由于寿命短且缺乏红超巨星阶段，磁制动对WO星的效应预计弱于对形成中子星的恒星，这可能有助于保留角动量，有利于GRB形成。