[論文レビュー] Electromagnetic Outflows and GRBs

Maxim Lyutikov, R. D. Blandford|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2002

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ガンマ線バースト（GRBs）が、回転する高磁化中性子星またはブラックホールによって駆動される相対論的で電磁気的支配の強い噴流に起因すると提案する。噴流は、約10^16 cmで電磁不安定性によってペアを加速する、集束的で力のかからない磁気バブルを形成する。これによりγ線放射が生じる。一方、周囲星間物質へのエネルギー移動は、非球形の相対論的爆風によって後に発生する後光を駆動し、L_Ω ∝ θ^{-2} の関係を示す。

ABSTRACT

We study the dynamics of relativistic electromagnetic explosions as a possible mechanism for the production of Gamma-Ray Bursts. We propose that a rotating relativistic stellar-mass progenitor loses much of its spin energy in the form of an electromagnetically-dominated outflow. After the flow becomes optically thin, it forms a relativistically expanding, non-spherically symmetric magnetic bubble - a ''cold fireball''. We analyze the structure and dynamics of such a cavity in the force-free approximation. During relativistic expansion, most of the magnetic energy in the bubble is concentrated in a thin shell near its surface (contact discontinuity). We suggest that either the polar current or the shell currents become unstable to electromagnetic instabilities at a radius $\sim10^{16}$ cm. This leads to acceleration of pairs and causes the $γ$-ray emission. At a radius $\sim10^{17}$ cm, the momentum contained in the electromagnetic shell will have been largely transferred to the surrounding blast wave propagating into the circumstellar medium. Particles accelerated at the fluid shock may combine with electromagnetic field from the electromagnetic shell to produce the afterglow emission.

研究の動機と目的

• 重粒子火球モデルの欠陥（エネルギー変換効率の低さや重粒子含有量の微調整）を是正するため。
• GRB生成の主要メカニズムとして電磁気的エネルギー輸送の可能性を検討するため。
• 内部衝撃や重粒子ジェットに依存せずに、観測されたバーストエネルギー分布と変動性を説明するため。
• Poyntingフラックス支配の噴流の観測的特徴（後光光曲線や偏光特徴）を予測するため。
• 電磁気的エネルギーが源から放射位置まで一貫性を保ち、効率的で間歇的（断続的）な散逸を可能にするという点を示すため。

提案手法

• 周囲星間物質中に膨張する相対論的で力のかからない電磁気的バブルの力学をモデル化する。
• 回転する磁化された天体によって駆動される非球形対称な磁気キャビティの構造を、力のかからない近似を用いて分析する。
• EMF ~10^22 V、電流 ~10^20 A のユニポールインダクターモデルからPoyntingフラックスと電磁気的出力を計算する。
• r ~ 10^16 cm における表面およびシェル電流の不安定性を分析し、乱流と粒子加速を導く。
• 相対論的Kompaneets近似を用いて相対論的爆風の進化をシミュレートし、エネルギー分布 L_Ω ∝ θ^{-2} を導出する。
• γ線放射をシェル内の電磁不安定性に、後光放射を取り巻かれた物質との衝撃相互作用に結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的電磁気的噴流は、重粒子ジェットを必要とせずにGRBsの高効率性と集束性を説明できるか？
• RQ2 冷たい電磁気的支配の噴流内での効率的粒子加速を可能にするメカニズムは何か？
• RQ3 電磁気的駆動源の幾何学的形状が、後光光曲線および観測エネルギー分布に与える影響は何か？
• RQ4 シェル内または極電流における電磁不安定性が、GRBsの短時間スケール変動性を説明できるか？
• RQ5 偏光や非色的ブレークなどの観測的特徴は、標準的火球シナリオとどのように区別できるか？

主な発見

• 電磁気的噴流は、表面に大部分の磁気エネルギーを集約した薄いシェルを持つ、冷たい力のかからない磁気バブルを形成し、相対論的速さで膨張する。
• r ~ 10^16 cm において、シェルまたは極電流が電磁不安定性に起因して不安定化し、効率的なペア加速とγ線放射が生じる。
• 後光は、エネルギー/ステラジアンが L_Ω ∝ θ^{-2} に比例する非球形対称な相対論的爆風によって駆動され、観測と整合的である。
• 本モデルは、すべてのバーストが観測可能であることを予測するが、放射量は視角に強く依存し、オーファン後光の発生頻度が低下する。
• 爆風のローレンツ因子は Γ >> θ^{-1} と予想され、Γ ≈ θ^{-1} のときに非色的ブレークが現れ、光曲線で検出可能である。
• 本モデルは、局所的電磁乱流によるものとして、GRBsの狭いエネルギー分布と変動性の断続的性質を自然に説明できる。