[논문 리뷰] A Model for Non High Energy Gamma Ray Bursts and Sources of Ultra High Energy Cosmic Rays

Takashi Nakamura|arXiv (Cornell University)|1998. 07. 09.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비고에너지 감마선 폭발(NHE-GRBs)의 원천으로 탄소-산소 별과 중성자별/흑색구멍으로 이루어진 이중성계를 제안한다. 모델은 초강력 자기장(Superstrong magnetic field, SSM)을 가진 밀리초 펄서가 쇄도하는 초신성 물질을 관통해 획기적으로 방출되는 감마선 빔이 측면에서 관측될 경우 NHE-GRBs를 생성한다고 제안한다; 이러한 펄서는 또한 탄소-산소 별과 중성자별/흑색구멍 이중성계에서 발생하는 초신성 잔해와 관련된 초고에너지 우주선(UHECRs)의 관측된 플럭스를 설명할 수 있다. 모델은 UHECR 도착 방향에 따라 탐지 가능한 초신성 잔해를 예측하며, NHE-GRBs와 소프트 감마선 반복폭발(SGRs)을 연결한다.

ABSTRACT

As a progenitor of NHE (Non High Energy) GRBs, we propose a (C+O) star and a neutron star (black hole) close binary system. Since the (C+O) star is tidally locked, a new born pulsar should be a milli second pulsar (MSP). Dynamo will generate a superstrong magnetic field(SSM). The beam of the energy from the super strongly magnetized milli second pulsar can punch a hole in the supernova ejecta . Then the beam of gamma rays flows out of the ejecta. If we observe this beam from the lateral direction, it will be NHE-GRB. In this model the pulsar with the spin period about 1sec should exist in SN1998bw so that the searches for this pulsar in all the wave length are urgent. SSM-MSPs can accelerate protons up to Ultra High Energy. If a few percent of the beam energy of SSM-MSP in NHE-GRB event is in the form of UHECRs, the flux of the observed UHECRs can be explained. Then along the direction of each UHECR, a supernova remnant should be found. It is suggested that NHE-GRB is the progenitor of the soft gamma ray repeater which has also the superstrong magnetic field and is in the supernova remnant.

연구 동기 및 목표

• 일반적인 GRBs에서 관측되는 강력한 고에너지 방출이 없는 비고에너지 감마선 폭발(NHE-GRBs)의 기원을 설명하기 위해.
• 관측된 플럭스와 일치하는 초고에너지 우주선(UHECRs)을 초고에너지로 가속화할 수 있는 천체 물리적 원천을 규명하기 위해.
• 초신성 잔해 내에 존재하며 초강력 자기장을 지닌 소프트 감마선 반복폭발(SGRs)과 NHE-GRBs를 연결하기 위해.
• UHECR 도착 방향에 따라 존재하는 초신성 잔해 및 생존한 펄서와 같은 관측 가능한 서명을 예측하기 위해.

제안 방법

• tidal locking으로 인해 밀리초 펄서(MSP)가 형성되는 탄소-산소(C+O) 별과 중성자별 또는 블랙홀로 이루어진 밀접한 이중성계를 모델링한다.
• 새로 태어난 MSP 내에서 다이너모 메커니즘을 도입하여 초강력 자기장(SSM)을 생성하며, 일반적으로 10^15 G 이상의 강도를 가진다.
• 측면에서 관측될 경우 초신성 물질을 관통하는 총구형 감마선 빔의 전파를 시뮬레이션한다.
• 몇 퍼센트의 효율성을 가정하여 빔 에너지의 일부가 초고에너지 우주선(UHECRs)으로 변환될 수 있음을 계산한다.
• 관측된 UHECR 플럭스를 이용해 이러한 NHE-GRB 사건의 필요 에너지 출력과 원천 밀도를 제약한다.
• 각 UHECR 도착 방향에는 초신성 잔해가 존재하며, 원천 펄서는 모든 파장에서 탐지 가능할 것이라고 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강력한 고에너지 방출이 없는 비고에너지 감마선 폭발(NHE-GRBs)을 생성할 수 있는 천체 물리적 시스템은 무엇인가?
• RQ2 밀리초 펄서의 초강력 자기장이 초신성 물질을 관통하는 감마선 빔의 탈출을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 이러한 시스템이 관측된 초고에너지 우주선(UHECRs) 플럭스를 설명할 수 있는가?
• RQ4 이 모델에서 UHECRs와 NHE-GRBs와 함께 관측 가능한 서명은 무엇인가?
• RQ5 NHE-GRBs는 유사한 자기장을 지닌 소프트 감마선 반복폭발(SGRs)과 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 모델은 탄소-산소 별과 중성자별 이중성계가 NHE-GRBs의 타당한 원천이 될 수 있음을 규명하며, 타이드 락킹이 밀리초 펄서의 형성 보장한다.
• 새로 태어난 펄서 내 다이너모 메커니즘이 초강력 자기장(SSM)을 생성하며, 그 강도는 10^15 G를 초과하여 효율적인 감마선 빔 총구화를 가능하게 한다.
• 측면에서 관측될 경우 감마선 빔은 초신성 물질을 탈출하여 관측된 NHE-GRB 신호를 생성할 수 있다.
• 빔 에너지의 몇 퍼센트만 UHECRs로 변환된다면, 모델은 관측된 초고에너지 우주선 플럭스를 재현할 수 있다.
• 각 UHECR 도착 방향에는 초신성 잔해가 연관되어 있어, 향후 관측에 대한 검증 가능한 예측을 제공한다.
• 모델은 NHE-GRBs가 소프트 감마선 반복폭발(SGRs)의 원천이 되며, SSG-MSP를 지닌다.
• SGRs는 초신성 잔해 내에 존재한다.