[論文レビュー] Assessing Millisecond Proto-Magnetars as GRB Central Engines

Todd A. Thompson|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、長期間持続するガンマ線バースト（GRBs）の中心駆動源としてのミリ秒周期プロトマグネタールを評価し、急速な回転と強い磁場によって駆動される相対論的で、ポインティングフラックス支配の風が、相対論的ジェットを駆動できることを提案している。主な貢献は、質量負荷段階におけるホープ応力が影響を及ぼす非相対論的から相対論的へと移行する風の過程が、GRB観測と整合するコリメートされた流出を自然に生じさせることを示したことである。

ABSTRACT

Magnetars are a sizable subclass of the neutron star census. Their very high magnetic field strengths are thought to be a consequence of rapid (millisecond) rotation at birth in a successful core-collapse supernova. In their first tens of seconds of existence, magnetars transition from hot, extended ``proto-''magnetars to the cooled and magnetically-dominated objects we identify $\sim10^4$ years later as Soft Gamma-ray Repeaters (SGRs) and Anamolous X-ray Pulsars (AXPs). Millisecond proto-magnetar winds during this cooling phase likewise transition from non-relativistic and thermally-driven to magneto-centrifugally-driven, and finally to relativistic and Poynting-flux dominated. Here we review the basic considerations associated with that transition. In particular, we discuss the spindown of millisecond proto-magnetars throughout the Kelvin-Helmholtz cooling epoch. Because of their large reservoir of rotational energy, their association with supernovae, and the fact that their winds are expected to become highly relativistic in the seconds after their birth, proto-magnetars have been suggested as the central engine of long-duration gamma ray bursts. We discuss some of the issues and outstanding questions in assessing them as such.

研究の動機と目的

• ミリ秒周期プロトマグネタールが長期間持続するガンマ線バーストの実現可能な中心駆動源として機能できるかどうかを評価すること。
• プロトマグネタールにおける非相対論的で熱的に駆動される風から、相対論的でポインティングフラックス支配の風へと移行する過程を理解すること。
• ケルビン＝ヘルムホルツ冷却段階における磁場と急速な回転が、ジェットのコリメーションおよびエネルギー抽出に与える影響を調査すること。
• プロトマグネタール風の力学的挙動が、超新星残骸の非対称性および核合成に与える影響、特に56Niの生成に及ぼす影響を評価すること。

提案手法

• 10–100秒のケルビン＝ヘルムホルツ冷却時間スケールにわたるプロトマグネタールのスピンダウンを分析し、約10^51エールグの回転エネルギー貯蔵を用いる。
• 風の性質の進化を5段階に分けてモデル化する：(1) 熱く非相対論的でニュートリノ加熱による風；(2) 磁場支配の流れへの移行；(3) 質量負荷あり非相対論的風（σ < 1）；(4) 相対論的でポインティングフラックス支配の風への移行；(5) 完全に相対論的でポインティングフラックス支配の風。
• σ < 1段階におけるホープ応力効果を適用し、エネルギーフラックスが回転軸に沿って優先的にチャネル化され、事前に処理された、中空で非対称な拡張した空洞が形成されることを示す。
• 最大エネルギーフラックスが方位角角度とともにσの増加に伴い増加する条件を用い、非相対論的風がその後続の相対論的流出の環境を形作ることを説明する。
• 回転エネルギー放出のエネルギー抽出効率と時間スケールを評価し、超新星衝撃波の伝播時間スケールと比較する。
• 風駆動による非対称性が核合成に与える影響、特に56Niの生成に注目し、SN 1998bw や SN 2003dh のようなハイパーエネルギック超新星と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ秒周期プロトマグネタールの相対論的でポインティングフラックス支配の風は、長期間持続するGRBで観測されるコリメートされたジェットを自然に生成できるか？
• RQ2 非相対論的から相対論的風段階への移行がジェットのコリメーションに与える影響は何か？また、ホープ応力は流出の幾何学的形状をどのように決定するか？
• RQ3 プロトマグネタールにおける回転エネルギー抽出の時間スケールは何か？また、Type-IbcおよびType-IIの前身星における超新星衝撃波伝播時間スケールと比較するとどうなるか？
• RQ4 プロトマグネタール風は、核合成の生成物、特に56Niの生成にどの程度影響を及ぼすか？また、ハイパーエネルギックな出来事象を説明できるか？
• RQ5 カシオペアAのような超新星残骸の非対称性は、プロトマグネタール駆動の風によって説明可能か？また、このような残骸とマグネタールの間には証拠があるか？

主な発見

• ミリ秒周期プロトマグネタールから約10^51エールグの回転エネルギーを抽出する時間スケールは、Type-Ibc超新星における衝撃波伝播時間スケールと同等または短く、噴出物への顕著なエネルギー結合が可能である。
• σ < 1段階において、ホープ応力がエネルギーフラックスを回転軸に沿って優先的に導くため、事前に処理された非対称で延長された空洞が形成され、その後続の相対論的風のコリメーションを可能にする。
• 相対論的でポインティングフラックス支配の風（段階5）は、事前に準備された環境へと発生するため、初期条件を細かく調整する必要がなく、自然にジェットのようなコリメーションが生じる可能性がある。
• 代表的なパラメータを用いた場合、プロトマグネタール風は56Niの生成を増強するのに十分なエネルギーを抽出でき、SN 1998bw や SN 2003dh のようなハイパーエネルギック超新星で推定される高濃度の56Niを説明できる可能性がある。
• カシオペアA超新星残骸はジェット／反ジェット構造と核合成の非対称性を示しており、これはプロトマグネタール起源と整合的である。また、中心のX線源は異常X線パulsarと整合的である。
• このモデルは、特に非対称な超新星残骸において、核合成生成物の方位分布が顕著に変化し得ることを示唆している。