[論文レビュー] Magnetically powered prompt radiation and flow acceleration in GRB

H. C. Spruit, G. Drenkhahn|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2003

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ガンマ線バースト（GRB）のプロンプト放射と極めて高いローレンツ因子の加速が、ポインティングフラックス優勢な流れにおける磁気エネルギーの散逸、具体的には再結合によるものであると提唱する。モデルは、散逸が光球面のすぐ外側で発生する場合に、非熱的放射と流れの加速が効率的に説明できる。また、Γ ≈ 100 でX線フラッシュからGRBへの遷移が予測される。

ABSTRACT

The physics of GRB powered by a magnetic energy flux is reviewed. Magnetic fields are natural for transmitting the energy from the central compact object to the small amount of baryons required for a GRB. When dissipation of the flux of magnetic energy by reconnection inside the flow is taken into account, the magnetic model assumes several more convincing properties. For baryon loading typical of observed GRB, most of the dissipation takes place just outside photosphere, so that prompt emission is produced efficiently, and the magnetic field strength in this region is high, resulting in efficient synchrotron emission. Remarkably, the dissipation also causes very efficient acceleration of the bulk flow. This effect is illustrated with a classical hydrodynamic equivalent. In this context, the distinction between the flux of magnetic energy $cB^2/8π$ and the Poynting flux $cB^2/4π$ is important, and an interpretation of the Poynting flux as a `magnetic enthalpy flux' illuminating. Numerical and analytical results for flow acceleration and the relative contribution of photospheric (thermal) and nonthermal emission as functions of the asymptotic bulk Lorentz factor are given. The transition between X-ray flashes and true GRB is predicted at $Γ\approx 100$.

研究の動機と目的

• 標準的なファイアボールモデルにおける運動エネルギー散逸の非効率性が、プロンプト非熱的γ線放射を生成するのを妨えるという問題に取り組む。
• 回転するコンactな天体から放出される磁気エネルギーフラックスが、運動エネルギーに比べてGRBをより効率的に駆動できるかどうかを検討する。
• 磁気再結合とポインティングフラックス散逸を通じて、GRBにおける観測された高いローレンツ因子と非熱的スペクトルを説明する。
• バリオン負荷と漸近的ローレンツ因子に基づいて、X線フラッシュと真のGRBとの間の遷移を予測する。
• 磁気散逸が自然に光球面の外側で発生することを示し、効率的なシンクロtron放射と流れの加速を可能にする。

提案手法

• エネルギー輸送をポインティングフラックス $ cB^2/4\pi $ を通じて行うポインティングフラックス優勢な磁化プラズマとしてGRB流出をモデル化し、これを「磁気エンタルピー・フラックス」と解釈する。
• 再結合率 $ \tilde{\rho} $ を仮定して、磁気再結合によるエネルギー散逸を追跡する解析的および数値的解法を用い、散逸半径 $ r_{\text{diss}} $ を決定する。
• 光学アクティビティ $ \kappa $ とエネルギーフラックスを用いて光球面半径 $ r_{\text{phot}} $ を計算し、$ r_{\text{phot}} \propto \dot{E} \kappa / (\Gamma^3 c^3) $ と表すことで、散逸が光球面に対してどこに位置するかを特定する。
• 臨界ローレンツ因子 $ \Gamma_{\text{c}} \approx 100 \, (\epsilon_{-1} \Omega_4 \dot{E}_{50})^{1/5} $ を導出する。ここで $ \epsilon $ は再結合効率、$ \Omega $ は角速度、$ \dot{E} $ はエネルギーランプパワーである。
• 漸近的ローレンツ因子 $ \Gamma_{\infty} $ の関数として、熱的（光球面的）放射と非熱的（散逸磁気エネルギー由来）放射の寄与を比較する。
• 磁場が散逸領域における高い磁場強度のおかげで、流れの加速と効率的なシンクロtron放射に果たす役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気エネルギーの再結合による散逸が、内部衝撃の非効率性を克服して、GRBにおける効率的な非熱的プロンプト放射を生じられるか。

主な発見

• 典型的なGRBパラメータにおいて、磁気エネルギーの散逸は主に光球面のすぐ外側で発生し、非熱的放射が効率的に発生する。
• モデルは、全GRBエネルギーの50％がプロンプト放射として放射され、残りの50％が運動エネルギーに変換されることを予測しており、観測結果と整合する。
• X線フラッシュから真のGRBへの遷移は、漸近的ローレンツ因子 $ \Gamma_{\infty} \approx 100 $ で発生し、観測推定値と一致する。
• 遷移のための臨界ローレンツ因子 $ \Gamma_{\text{c}} \approx 100 \, (\epsilon_{-1} \Omega_4 \dot{E}_{50})^{1/5} $ は、再結合率 $ \epsilon $ のような不確実なパラメータにほとんど依存せず、弱い依存性を示す。
• 散逸領域における高い磁場強度が、効率的なシンクロtron放射をもたらし、観測された非熱的スペクトルを説明できる。
• モデルは、光球面内での極端な運動エネルギーの変動や内部衝撃を仮定することなく、高いローレンツ因子とプロンプト放射の効率性を自然に説明できる。