[論文レビュー] On the pair-electromagnetic pulse from an electromagnetic Black Hole surrounded by a Baryonic Remnant

R. Ruffini, J. D. Salmonson+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 29

ひとこと要約

本論文は、電磁的ブラックホール（EMBH）における真空中の極化によって生成されるペア電磁脈動（PEM）パルスが、周囲のバリオン性シェルと相互作用する様子を、一般相対性理論的流体力学と、一定厚さ近似の簡略化モデルを用いて調査している。その結果、バリオン質量がダイアドスフィアエネルギーの1%未満である場合には、この近似が正確にシステムをモデル化できることを示しており、天体物理学的関連性のあるガンマ線バースト（GRB）シナリオへの応用が妥当であることが裏付けられている。さらに、質量10³M⊙のEMBHに対して、バリオン質量を変化させた場合のGRBの放射エネルギーおよび観測温度といった主要なGRB特性が導出された。

ABSTRACT

The interaction of an expanding Pair-Electromagnetic pulse (PEM pulse) with a shell of baryonic matter surrounding a Black Hole with electromagnetic structure (EMBH) is analyzed for selected values of the baryonic mass at selected distances well outside the dyadosphere of an EMBH. The dyadosphere, the region in which a super critical field exists for the creation of electron-positron pairs, is here considered in the special case of a Reissner-Nordstrom geometry. The interaction of the PEM pulse with the baryonic matter is described using a simplified model of a slab of constant thickness in the laboratory frame (constant-thickness approximation) as well as performing the integration of the general relativistic hydrodynamical equations. The validation of the constant-thickness approximation, already presented in a previous paper Ruffini, et al.(1999) for a PEM pulse in vacuum, is here generalized to the presence of baryonic matter. It is found that for a baryonic shell of mass-energy less than 1% of the total energy of the dyadosphere, the constant-thickness approximation is in excellent agreement with full general relativistic computations. The approximation breaks down for larger values of the baryonic shell mass, however such cases are of less interest for observed Gamma Ray Bursts (GRBs). On the basis of numerical computations of the slab model for PEM pulses, we describe (i) the properties of relativistic evolution of a PEM pulse colliding with a baryonic shell; (ii) the details of the expected emission energy and observed temperature of the associated GRBs for a given value of the EMBH mass; 10^3 solar masses, and for baryonic mass-energies in the range 10^{-8} to 10^{-2} the total energy of the dyadosphere.

研究の動機と目的

• ガンマ線バースト（GRB）形成の文脈において、相対論的PEMパルスと電磁的ブラックホール（EMBH）を囲むバリオン性シェルとの相互作用をモデル化すること。
• PEMパルスがバリオン物質を通過する際の、完全な一般相対性理論的流体力学と比較して、定厚さ近似の妥当性を検証すること。
• 質量10³M⊙のEMBHと、変化するバリオンシェル質量を想定した場合の、放射エネルギー、観測温度、および衝突後のバリオンシェルの運動エネルギーを特定すること。
• パラメータ領域の特定を通じて、モデルの天体物理学的関連性を評価し、近似が成立する範囲と、放出されるGRBエネルギーが検出可能である範囲を同定すること。

提案手法

• 実験フレームにおける定厚さ近似を用いて、固定厚さかつ一様密度の平板を仮定することで、PEMパルスとバリオンシェルの相互作用をモデル化した。
• 定厚さ近似の妥当性を検証するため、異なるバリオンシェル質量に対して、完全な一般相対性理論的流体力学方程式を数値的に統合した。
• クリストドゥルーロウ＝ラフィニ質量式とライスナー＝ノールストローム幾何学を用いて、EMBHを記述し、e⁺e⁻対生成が超臨界電場によって発生する領域（ダイアドスフィア）を定義した。
• PEMパルスとバリオンシェルとの非弾性衝突の過程で、エネルギーと運動量の保存則を適用し、エントロピー保存則を用いて熱的進化を追跡した。
• プラズマのバルクローレンツ因子、内部エネルギー、温度の時間発展を、実験フレームおよび共動フレームの両方で計算した。
• 衝突後の放射と物質の熱化および分離の過程に基づき、得られるGRBのピークエネルギーと持続時間を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全な一般相対性理論的流体力学と比較して、定厚さ近似は、PEMパルスとバリオンシェルの相互作用の力学をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 GRB放射の文脈において、定厚さ近似が依然として有効である最大のバリオン質量は何か？
• RQ3 10³M⊙のEMBHに対して、バリオンシェル質量がどのようにGRBの放射エネルギーおよび観測温度に影響を与えるか？
• RQ4 非弾性衝突の過程でエントロピーと熱的再加熱が果たす役割は何か？
• RQ5 分離後にバリオン物質に残存する運動エネルギーは、GRBの観測可能な性質とどのように関係しているか？

主な発見

• バリオンシェル質量がダイアドスフィア全エネルギーの1%未満である場合には、定厚さ近似が完全な一般相対性理論的計算と非常に良好に一致した。
• バリオンシェル質量がダイアドスフィアエネルギーの1%を超えると、近似は破綻するが、このような状況ではGRB放射エネルギーが低いため、天体物理学的関心は限定的である。
• ダイアドスフィアエネルギーの10⁻²に相当する質量エネルギーを持つバリオンシェルを有する10³M⊙のEMBHに対して、ξ = 0.1の場合、検出可能なGRBが予測された。
• 衝突の結果、非弾性エネルギー移動によりプラズマが顕著に再加熱され、エントロピーが増加し、透過率半径付近でT³V/T₀³V₀比に急増が生じた。
• 衝突後、共動フレームおよび実験フレームの両方で温度が低下し、系全体のe⁺e⁻対および光子の全エネルギーが保存された。
• 分離後にバリオン物質に残存する運動エネルギーは、最終的なGRBの輝度および持続時間の決定要因であり、今後の銀河間空間におけるGRB後の光のモデル化に重要な示唆を与えた。