[論文レビュー] Gamma Ray Bursts as Electromagnetic Outflows

Maxim Lyutikov, R. D. Blandford|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2003

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 90

ひとこと要約

本論文は、ガンマ線バースト（GRBs）が、星質量のコンパクトな物体の回転エネルギーによって駆動される相対論的電磁気的噴流によって生じるのだと提案している。エネルギーはポインティング・フラックスとして放出される。このモデルは、磁気的に支配されたシェル内の電流駆動不安定性によってGRB放射を説明し、約3×10¹⁶ cmの位置で粒子の加速とエネルギーの散逸が起こることを示している。同時に、磁場の減衰と距離-周波数マッピングを通じて、後光およびスペクトルの進化も説明している。

ABSTRACT

(Abridged) We interpret gamma ray bursts as relativistic, electromagnetic explosions. Specifically, we propose that they are created when a rotating, relativistic, stellar-mass progenitor loses much of its rotational energy in the form of a Poynting flux during an active period lasting $\sim 100$ s. Initially, a non-spherically symmetric, electromagnetically-dominated bubble expands non-relativistically inside the star, most rapidly along the rotational axis of the progenitor. After the bubble breaks out from the stellar surface and most of the electron-positron pairs annihilate, the bubble expansion becomes highly relativistic. After the end of the source activity most of the electromagnetic energy is concentrated in a thin shell inside the contact discontinuity between the ejecta and the shocked circumstellar material. This electromagnetic shell pushes a relativistic blast wave into the circumstellar medium. Current-driven instabilities develop in this shell at a radius $\sim3 imes10^{16}$ cm and lead to dissipation of magnetic field and acceleration of pairs which are responsible for the $γ$-ray burst. At larger radii, the energy contained in the electromagnetic shell is mostly transferred to the preceding blast wave. Particles accelerated at the forward shock may combine with electromagnetic field from the electromagnetic shell to produce the afterglow emission.

研究の動機と目的

• 長期間持続するガンマ線バースト（GRBs）のモデルを、バリオン火球モデルではなく電磁気的エネルギー放出に基づいて構築すること。
• 電磁力および電流駆動不安定性を通じて、GRBsにおける相対論的ジェット形成と散逸の起源を説明すること。
• 観測されたGRBの性質、例えばスペクトル進化、偏光、後光を、電磁気的シェルの力学と場の散逸を通じて説明すること。
• 共通の原理、すなわち磁気的に支配され、相対論的であるという点で、パulsars、マイクロクェーサー、AGNsと同様のメカニズムをGRBsのメカニズムと統合すること。

提案手法

• 中心エンジンを、約100秒間にわたりポインティング・フラックスを介して回転エネルギーを放出する回転する相対論的コンパクト物体としてモデル化すること。
• 拡張する電磁気的バブルを、半径方向の電流と磁気的ホープ応力を持つ電気回路として扱うこと。
• バブルおよびシェルの電磁力学的性質を分析し、エネルギー収支と因果的構造に焦点を当てる。
• 磁場の散逸と電子・陽電子対の加速を記述するため、MHD電流不安定性理論を用い、約3×10¹⁶ cmの位置で解析すること。
• 距離-周波数マッピングとシンクロtron放射モデルを適用し、ハードからソフトへのスペクトル進化を説明すること。
• エネルギーが衝撃波に移動し、前方衝撃波で粒子が加速されることにより、後光を説明するようにモデルを拡張すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてバリオン火球モデルではなく、電磁気的エネルギー放出によってGRBsを説明できるか？
• RQ2 電流駆動不安定性は、相対論的シェル内の磁場エネルギー散逸にどのように寄与するか？
• RQ3 電磁気的シェルの力学は、観測されたGRBのスペクトル進化および偏光をどのように生じさせるか？
• RQ4 同じ物理的原理がGRBs、パルサー、AGNジェットを説明するために適用可能か？
• RQ5 GRBsにおけるピークエネルギーと光度の観測相関は、何によって決定されるか？

主な発見

• GRBsは、星質量のコンパクトな物体からポインティング・フラックスを介して回転エネルギーが放出されることによって駆動されており、エネルギーは約3×10¹⁶ cmの薄い電磁気的シェルに集中している。
• 約3×10¹⁶ cmの位置で、電流駆動不安定性が発達し、磁場の散逸とγ線放射を引き起こす電子・陽電子対の加速が生じる。
• 磁場強度B ∝ √L / rの減少により、距離-周波数マッピングを模倣する形で、ハードからソフトへのスペクトル進化が自然に説明できる。
• E_peak ∝ √Lの相関は、モデルの電磁気的性質と放射半径のスケーリングから自然に導かれる。
• 高いプロンプト放射の偏光は、スペクトル指数と相関し、時間経過に伴って安定であると予測され、観測結果と整合する。
• モデルは、X線フラッシュを、非軸方向に観測されたGRBsとして説明でき、構造的で広い開口角の放射により、オーファン後光問題を解決する。