[論文レビュー] Gamma-ray bursts from X-ray binaries

H. C. Spruit|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、弱磁化中性子星を有するX線連星系において、ガンマ線バースト（GRBs）が発生しうることを提唱している。中性子星が降着によって回転を速める過程で、rモード不安定性が重力波を介して急速に角運動量を損失させ、数か月のうちに磁場が約10^17 Gに巻き上げられる。その後、浮力不安定性がエネルギーを放出し、1〜100秒の間に1〜8×10^51 ergのGRBを生成する。

ABSTRACT

A weakly magnetized ($\sim 10^7$G) neutron star, slowly spun up by accretion in an X-ray binary, crosses the instability boundary for r-mode instability at P=1--2 msec. The amplitude of the oscillation, which initially increases only at the spinup time scale, is secularly unstable due to the negative temperature dependence of the viscosity in neutron star matter, and diverges after a few hundred years. Angular momentum loss by the gravitational wave causes strong differential rotation, in which the magnetic field is wound up to $10^{17}$G on a time scale of a few months. When this field becomes unstable to buoyancy instability, a surface field strength of a few $10^{16}$G is produced on a time scale of seconds, which then powers a GRB with energies of $\sim 1-8 imes 10^{51}$ and duration of 1--100 sec.

研究の動機と目的

• X線連星系内での新規メカニズムを用いて、短時間継続のガンマ線バースト（GRBs）の起源を説明すること。
• 初期磁場が弱いにもかかわらず、エネルギー豊富なGRBsを生成できる弱磁化中性子星のメカニズムを調査すること。
• rモード不安定性および重力波放射が磁場増幅に果たす役割を明らかにすること。
• 浮力駆動磁場放出を介したGRB生成の時間スケールとエネルギー特性をモデル化すること。

提案手法

• 磁場が約10^7 Gの状態のX線連星系における中性子星の回転加速をモデル化する。
• 1〜2 msの回転周期における、長期間にわたる振動の増大が開始されるrモード不安定性の基準を適用する。
• 中性子星物質における粘性の負の温度依存性を用いて、約300年間の期間にわたり、徐々に不安定性が増大することを予測する。
• 重力波による角運動量損失が強い温度勾配を引き起こし、回転速度の差を生じさせることを計算する。
• 温度勾配に起因する差動回転が磁場を巻き上げ、数か月のスケールで約10^17 Gに達することをシミュレーションする。
• 磁化された流体内での浮力不安定性の発生を評価し、1秒スケールで表面磁場が約10^16 Gに現れるようになることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線連星系に降着する中性子星におけるrモード不安定性が、観測可能なGRBsを引き起こす可能性があるか？
• RQ2 回転する中性子星において、差動回転が磁場増幅を引き起こす時間スケールは何か？
• RQ3 浮力不安定性が、蓄積された磁場エネルギーを解放し、GRBを駆動するメカニズムは何か？
• RQ4 このメカニズムによって生成されるGRBsの期待されるエネルギーと継続時間は何か？
• RQ5 初期磁場強度と回転周期がGRB生成の確率に与える影響は何か？

主な発見

• 弱磁化中性子星（B ~ 10^7 G）におけるrモード不安定性は、約300年の回転加速の後、長期間にわたる不安定性を示し、振動の急速な増大を引き起こす。
• rモードからの重力波放射が角運動量を抽出し、強い差動回転を誘発。これにより、数か月のスケールで磁場が約10^17 Gに巻き上げられる。
• 磁化流体内の浮力不安定性が、1秒スケールで表面磁場約10^16 Gの磁場出現を引き起こす。
• 放出された磁場エネルギーが、等方的エネルギー1〜8×10^51 erg、継続時間1〜100秒のガンマ線バーストを駆動する。
• このメカニズムは観測された短時間GRBsと整合性があり、降着駆動X線連星系から高エネルギー天体的遷移を生じさせる物理的経路を提供する。
• モデルは特定の観測的特徴を予測する：X線連星系の回転加速段階に起因するGRBsで、現在および将来のガンマ線望遠鏡で検出可能である可能性がある。