[論文レビュー] The dyadosphere of black holes and gamma-ray bursts

Giuliano Preparata, R. Ruffini+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、特定のブラックホール周辺の極端な電磁場——電磁ブラックホール（EMBH）——が、シュヴィンガー効果による真空電子対生成を引き起こし、電子・陽電子対が急速に形成される「ダイアドスフィア」を形成すると提案している。10M⊙および10⁵M⊙のEMBHにおけるこのようなプロセスが、観測されたガンマ線バースト（GRB）を駆動するのに十分なエネルギーを持つ相対論的対電磁パルス（P.E.M.パルス）を生成できることを示している。特に、赤方偏移z=3.4のGRB971214についても説明可能である。

ABSTRACT

The "dyadosphere" has been defined (Ruffini, Preparata et al.) as the region outside the horizon of a black hole endowed with an electromagnetic field (abbreviated to EMBH for "electromagnetic black hole") where the electromagnetic field exceeds the critical value, predicted by Heisenberg & Euler for $e^+ e^-$ pair production. In a very short time ($\sim O(\hbar/(mc^2))$), a very large number of pairs is created there. We here give limits on the EMBH parameters leading to a Dyadosphere for $10M_{\odot}$ and $10^5M_{\odot}$ EMBH's, and give as well the pair densities as functions of the radial coordinate. We here assume that the pairs reach thermodynamic equilibrium with a photon gas and estimate the average energy per pair as a function of the EMBH mass. These data give the initial conditions for the analysis of an enormous pair-electromagnetic-pulse or "P.E.M. pulse" which naturally leads to relativistic expansion. Basic energy requirements for gamma ray bursts (GRB), including GRB971214 recently observed at $z=3.4$, can be accounted for by processes occurring in the dyadosphere. In this letter we do not address the problem of forming either the EMBH or the dyadosphere: we establish some inequalities which must be satisfied during their formation process.

研究の動機と目的

• 極端な電磁場ブラックホール（EMBH）が、真空電子対生成によってダイアドスフィアを形成する理論的条件を確立すること。
• 星質量および超大質量ブラックホールのEMBHがダイアドスフィア形成を支持するパラメータ空間（例えば、電荷、質量）を特定すること。
• その後の相対論的拡張を考慮したダイアドスフィア内での対密度およびエネルギー分布の初期条件をモデル化すること。
• ダイアドスフィアからのエネルギー出力が、観測されたガンマ線バースト（GRB）のエネルギーレベル、特に高赤方偏移イベント（例：z=3.4のGRB971214）を説明できるかを評価すること。
• EMBHおよびそのダイアドスフィアの形成過程において満たされるべき物理的不等式を導出すること。ただし、それらの天体の天体物理学的起源には言及しない。

提案手法

• ダイアドスフィアを、EMBHの外側で電磁場がシュヴィンガー臨界場強度を超える領域として定義する。
• 強い場における真空電子対生成率を推定するために、ハイゼンベルク＝オイラー有効ラグランジュアンを用いる。
• 対生成 timescale ∼ħ/(mc²) を計算し、密度の高い対プラズマが急速に形成されることを示す。
• 対プラズマと光子ガスとの間で熱力学的平衡を仮定し、EMBH質量の関数としての平均1対あたりのエネルギーを推定する。
• 得られた系を、初期の圧力勾配によって駆動される相対論的対電磁パルス（P.E.M.パルス）としてモデル化する。
• EMBHパラメータ（質量、電荷）に対する制約を導出し、ダイアドスフィア形成およびGRBに十分なエネルギー出力を可能にする条件を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10M⊙および10⁵M⊙のブラックホールにおける、ダイアドスフィア形成に必要な臨界電磁場強度およびEMBHパラメータは何か？
• RQ2 ダイアドスフィア内における対密度は、EMBHからの半径方向距離にどのように依存するか？
• RQ3 ダイアドスフィア内での電子・陽電子対1対あたりの平均エネルギーは何か？また、EMBH質量にどのように依存するか？
• RQ4 ダイアドスフィアプロセスから放出されるエネルギーが、観測されたガンマ線バースト（例：z=3.4のGRB971214）の輝度および全エネルギーを説明できるか？
• RQ5 EMBHおよびそのダイアドスフィアの形成過程において、プロセスを維持するために満たされるべき物理的不等式は何か？

主な発見

• 10M⊙および10⁵M⊙のEMBHについて、本稿は、ダイアドスフィア形成に至る電荷および電磁場強度の具体的な限界を導出している。
• 対密度は、半径座標の関数として計算されており、イベントホライズン付近で高い密度を示していることが明らかになった。
• 対プラズマと光子ガスとの間の熱力学的平衡に基づいて、ダイアドスフィア内での平均1対あたりのエネルギーが推定され、P.E.M.パルスのダイナミクスの初期条件が得られた。
• 得られたP.E.M.パルスは、相対論的拡張を示しており、ガンマ線バーストの観測特性と整合的であることが示された。
• ダイアドスフィアプロセスからのエネルギー出力は、赤方偏移z=3.4におけるGRB971214の高輝度および全エネルギーを説明するのに十分であることが判明した。
• 本研究では、EMBHおよびそのダイアドスフィアの形成に必要な不等式が確立されたが、それらの天体の天体物理学的起源については言及していない。