[論文レビュー] On the Pair Electromagnetic Pulse of a Black Hole with Electromagnetic Structure

R. Ruffini, J. D. Salmonson+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 1999

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 3被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、電磁的ブラックホール（EMBH）が電荷対質量比 ξ=0.1 を持つ場合、真空中の極化によってガンマ線バーストを生成し得ることを提案している。その結果、相対論的電子・陽電子対プラズマ（PEMパルス）が発生する。一般相対論的流体力学を用いて、このPEMパルスが慣性系で一定厚さで拡張することを示し、ローレンツ因子は最大6,000に達し、0.1–4 MeVの範囲でピークを示す光子スペクトルを発生させ、全エネルギーは10⁵²–10⁵⁴ ergsに達する。これは観測されたガンマ線バーストと整合的である。

ABSTRACT

We study the relativistically expanding electron-positron pair plasma formed by the process of vacuum polarization around an electromagnetic black hole (EMBH). Such processes can occur for EMBH's with mass all the way up to $6\cdot 10^5M_\odot$. Beginning with a idealized model of a Reissner-Nordstrom EMBH with charge to mass ratio $ξ=0.1$, numerical hydrodynamic calculations are made to model the expansion of the pair-electromagnetic pulse (PEM pulse) to the point that the system is transparent to photons. Three idealized special relativistic models have been compared and contrasted with the results of the numerically integrated general relativistic hydrodynamic equations. One of the three models has been validated: a PEM pulse of constant thickness in the laboratory frame is shown to be in excellent agreement with results of the general relativistic hydrodynamic code. It is remarkable that this precise model, starting from the fundamental parameters of the EMBH, leads uniquely to the explicit evaluation of the parameters of the PEM pulse, including the energy spectrum and the astrophysically unprecedented large Lorentz factors (up to $6\cdot 10^3$ for a $10^3 M_{\odot}$ EMBH). The observed photon energy at the peak of the photon spectrum at the moment of photon decoupling is shown to range from 0.1 MeV to 4 MeV as a function of the EMBH mass. Correspondingly the total energy in photons is in the range of $10^{52}$ to $10^{54}$ ergs, consistent with observed gamma-ray bursts. In these computations we neglect the presence of baryonic matter which will be the subject of forthcoming publications.

研究の動機と目的

• 電磁的ブラックホール（EMBH）周囲の真空中の極化によって生成される対電磁パルス（PEMパルス）の時間的進化をモデル化すること。
• 一般相対論的流体力学シミュレーションと照らし合わせて、慣性系で一定厚さを保つ簡略化された相対論的モデルの妥当性を検証すること。
• EMBH質量に応じて、放出放射の観測可能な性質（ピーク光子エネルギー、全エネルギー、バースト持続時間）を特定すること。
• 観測されたエネルギー・タイムスケールと整合するEHBモデルが、ガンマ線バースト（GRBs）の源として天体物理学的に妥当であるかを評価すること。

提案手法

• 一般相対論的運動方程式を数値的に解く流体力学的シミュレーションを実施し、リーマン＝ノールストローム型のEMBH（ξ=0.1）周囲で真空中の極化によって生成される相対論的電子・陽電子プラズマの挙動を解析する。
• 3つの理想化された特殊相対論的モデルを比較する：(1) 速度が半径に比例するモデル、(2) 慣性系で一定厚さのモデル、(3) 共動座標系で一定厚さのモデル。
• 慣性系で一定厚さのモデルが、一般相対論的流体力学コードの結果と高い精度で一致することを確認し、妥当性を裏付けた。
• 光子が系から透過可能になるまで、ペア密度の時間変化とフェルミ積分を用いた平衡条件に基づくレート方程式を用いて、PEMパルスの進化を追跡する。
• 放射の脱結合から得られる最終的な光子スペクトルと光度曲線を計算し、最終的なローレンツ因子と共動温度からエネルギースペクトルを導出する。
• 本モデルは真空中の状態を仮定しており、バリアオン物質の影響は無視している。今後の研究で残存するバリアオン物質の寄与を検討する予定である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 慣性系で一定厚さのPEMパルスモデルは、EMBH周囲の真空中の極化に関する一般相対論的流体力学的シミュレーションの力学を正確に再現できるか？
• RQ2 さまざまな質量のEMBHに対して、得られるローレンツ因子、光子エネルギースペクトル、全エネルギーは何か？
• RQ3 PEMパルスから放出される放射は、観測されたガンマ線バーストの特徴（ピークエネルギー、持続時間、全エネルギー）と一致するか？
• RQ4 光子透過への移行はどのように進行するのか？また、ペア消失による再加熱は最終スペクトルにどのような役割を果たすか？
• RQ5 ダイアドスフィアは、真空中の極化を介してEMBHからエネルギーを抽出可能にする上で、どのような重要性を有するか？

主な発見

• 慣性系で一定厚さのPEMパルスモデルは、一般相対論的流体力学的シミュレーションと極めて良好に一致し、信頼できる近似手法であることが裏付けられた。
• 10³M⊙ の EMBH に対して、最大6,000のローレンツ因子が達成され、これは天体物理学的に前例のない相対論的拡張を示している。
• 脱結合時のピーク光子エネルギーは、EMBH質量に応じて0.1 MeVから4 MeVの範囲に分布し、観測されたガンマ線バーストのMeV範囲と一致する。
• 全光子エネルギーは10⁵²～10⁵⁴ ergsの範囲にあり、観測された長期間ガンマ線バーストのエネルギーと整合的である。
• バースト持続時間（t₉₀）はモデル上、慣性系でミリ秒スケールであり、典型的な観測GRBsよりも短い。これは、観測持続時間を延長するためにバリアオン物質との相互作用が必要である可能性を示唆している。
• 流体力学コードから得られた最終スペクトルと光度曲線は、100–1000 keVの範囲にスペクトルピークを示し、t₉₀はスラブモデルと整合的であるが、重力的および流体力学的効果によりわずかに低めに評価されている。