[論文レビュー] Gamma-ray bursts from internal shocks in a relativistic wind: an hydrodynamical study

F. Daigne, R. Mochkovitch|arXiv (Cornell University)|May 9, 2000

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、非常に不均一な相対論的風における内部衝撃によって駆動されるガンマ線バースト（GRBs）をシミュレートする1次元ラグランジュ的相対論的流体力学コードを提示する。このモデルは、非対称なFRED型光曲線、エネルギーに依存するパルス幅拡大（W ∝ E⁻⁰.⁴）、ピーク放射度の前後にスペクトルの硬さが現れる現象、およびバンド関数に類似したスペクトルといった、主要な観測的特徴を再現できることを確認した。これにより、以前の簡略化モデルの妥当性が裏付けられ、低放射効率（約10％）であるものの、内部衝撃がGRB放射の強固なメカニズムであることが立証された。

ABSTRACT

The internal shock model for gamma-ray bursts involves shocks taking place in a relativistic wind with a very inhomogeneous initial distribution of the Lorentz factor. We have developed a 1D lagrangian hydrocode to follow the evolution of such a wind and the results we have obtained are compared to those of a simpler model presented in a recent paper (Daigne & Mochkovitch 1998) where all pressure waves are suppressed in the wind so that shells with different velocities only interact by direct collisions. The detailed hydrodynamical calculation essentially confirms the conclusion of the simple model: the main temporal and spectral properties of gamma-ray bursts can be reproduced by internal shocks in a relativistic wind.

研究の動機と目的

• 簡略化された衝突のみのモデルを超えて、詳細な相対論的流体力学的シミュレーションを用いて、内部衝撃モデルがGRBsに対して妥当であるかを検証すること。
• 圧力波および流体力学的効果が、特に先行する簡略化モデルと比較して、バーストの光曲線およびスペクトルに与える影響を評価すること。
• 内部衝撃メカニズムが、観測されたGRBsの主な時間的およびスペクトル的特徴を定量的に再現できるかを特定すること。
• 初期のローレンツ因子の不均一性が、観測されたバーストの変動性およびスペクトルの時間的変化を生成する役割を調査すること。

提案手法

• 球対称および相対論的流れに適応した、PPM法の拡張に基づく1次元ラグランジュ的相対論的流体コードの開発。
• Martí & Müller (1996) の精神に則った相対論的流体計算スキームの実装。フラックス計算にはリーマン解法を用いる。
• 相対論的運動方程式およびエネルギー保存則の組み込み。衝撃波および流体の圧縮の適切な取り扱いを含む。
• 圧力波を抑制し、直接的なシェル衝突のみを考慮した先行する簡略化モデル（DM98）との比較。
• 等分配パラメータの調整により、両モデル間で平均シクロトロンエネルギーが一致するようにし、合成光曲線およびスペクトルの公平な比較を可能にした。
• シンクロtron放射モデルを用いた光曲線およびスペクトルの合成。スペクトルフィッティングにはバンド関数パラメータを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 詳細な流体力学的シミュレーションは、BATSEおよびBeppoSAXが観測したGRBsの主な時間的およびスペクトル的特徴を再現できるか？
• RQ2 圧力波および流体力学的効果は、内部衝撃の簡略化された衝突モデルの予測をどのように変化させるか？
• RQ3 初期のローレンツ因子分布の不均一性が、観測されたバーストの変動性およびパルス形態を決定づける程度はどの程度か？
• RQ4 内部衝撃モデルは、観測されたバンド関数に良く合うスペクトルを生成するか？
• RQ5 放射効率は内部衝撃モデルにおいてどのような役割を果たし、根本的な制限要因であるのか、それとも現在の仮定の結果であるのか？

主な発見

• 流体力学的シミュレーションにより、内部衝撃モデルがGRBsの主な時間的およびスペクトル的性質を再現できることを確認した。これにより、先行する簡略化モデルの妥当性が裏付けられた。
• シミュレートされたバーストは、非対称なFRED型プロファイルを示し、エネルギーが高くなるほどパルス幅が小さくなる（W ∝ E⁻⁰.⁴）という特徴を示し、観測と一致した。
• 光曲線においてスペクトルの硬さがピーク放射度の前後に現れ、観測された持続時間-硬さ相関を自然に再現した。
• 合成スペクトルはバンド関数に良くフィットし、観測されたGRBスペクトルと整合するパラメータを示した。
• モデルは約10％の低放射効率を予測したが、これは主な課題ではあるものの、モデル自体を無効にするものではなかった。
• 流体力学的アプローチにより、簡略化モデルに比べてパルス形状の現実性が向上し、急激な減衰の過剰評価が軽減された。