[논문 리뷰] Hot tori around black holes as sources of gamma ray bursts

M. Jaroszyński|ArXiv.org|1995. 06. 08.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 별질량 편향 블랙홀을 도는 뜨겁고 밀도가 높은 토러스가 천체론적 감마선 폭발의 에너지원이 될 수 있는지 조사한다. 중성자별 병합과 실패한 초신성 시나리오를 기반으로 한 모델을 사용하여, 병합 잔재물은 극도로 높은 점성과 엔트로피를 가정하지 않는 한 충분한 에너지를 갖지 못함을 발견하였고, 특히 근접 최대 블랙홀(а ≈ 1) 주위의 고역량 시스템은 여전히 타당한 후보로 남아 있다. 이는 특히 빠르게 회전하는 월프-레이넷 항성의 붕괴에서 유래한 경우에 해당된다.

ABSTRACT

We investigate the configurations consisting of massive, dense and hot tori around stellar mass Kerr black holes as possible sources of energy for the gamma ray bursts in cosmological hypothesis of their origin. We limit parameters of our models to the values resulting from neutron stars merger calculations or suggested in the ``failed supernova'' scenario. We investigate models with different angular momentum distributions and different specific entropies. We construct also approximate evolutionary tracks of our systems postulating some viscosity mechanism to be present. We find, that models resulting from a merger of two neutron stars give too little energy to be likely sources of gamma ray bursts. This conclusion remains true despite the artificially high values of specific entropy and viscosity, which we use in our calculations. The promising models should contain a high angular momentum black hole ($a \sim 1$) and/or a torus with almost constant specific angular momentum. The configurations resulting from a collapse of rapidly rotating WR stars are not excluded as sources of the bursts due to a greater freedom in choosing their initial parameters.

연구 동기 및 목표

• 별질량 케러 블랙홀 주위의 뜨겁고 질량이 큰 토러스가 천체론적 감마선 폭발에 필요한 에너지를 충분히 공급할 수 있는지 평가하는 것.
• 중성자별 병합 또는 실패한 초신성로 형성된 토러스 구조가 폭발원으로서 실현 가능한지 평가하는 것.
• 역행 운동량 분포와 특정 엔트로피가 에너지 출력과 진화에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• 가정된 점성 메커니즘에 따라 이러한 시스템의 진화 궤적을 모델링하는 것.
• 기존 천체물리학적 시나리오에서 유도된 초기 조건이 관측 가능한 감마선 폭발 에너지를 생성할 수 있는지 판단하는 것.

제안 방법

• 다양한 특정 각운동량과 엔트로피 분포를 가진 뜨겁고 밀도가 높은 토러스의 평형 모델을 수립한다.
• 중성자별 병합 시뮬레이션과 '실패한 초신성' 시나리오의 제약 조건을 적용하여 현실적인 초기 파rameter를 설정한다.
• 점성 메커니즘(예: α-점성)을 도입하여 각운동량 이동과 토러스 진화를 모델링한다.
• 토러스 내에 이용 가능한 총 에너지를 계산하고 관측된 감마선 폭발 에너지와 비교한다.
• 에너지 방출이 시간에 따라 어떻게 이루어지는지 평가하기 위해 근사적인 진화 궤적을 생성한다.
• 케러 블랙홀 주위의 평형 구조를 모델링하기 위해 상대론적 유체역학 원리를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자별 병합으로 형성된 토러스는 관측된 감마선 폭발을 추진하기에 충분한 에너지를 낼 수 있는가?
• RQ2 특정 엔트로피와 각운동량 분포의 변화가 토러스의 총 에너지 출력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 블랙홀의 스핀(а ≈ 1)은 폭발에 이용 가능한 에너지를 어떻게 증가시키는가?
• RQ4 빠르게 회전하는 월프-레이넷 항성의 붕괴에서 유래한 구조는 감마선 폭발 원천으로 실현 가능한가?
• RQ5 점성과 각운동량 이동은 토러스의 진화와 에너지 방출에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 인위적으로 높은 엔트로피와 점성을 가정하더라도, 중성자별 병합에서 유래한 모델은 일반적인 감마선 폭발을 추진하기에 충분한 에너지를 내지 못한다.
• 근사적으로 일정한 특정 각운동량과 고블랙홀 스핀(а ≈ 1)을 가진 토러스는 훨씬 더 높은 에너지 잠재력을 보인다.
• 빠르게 회전하는 월프-레이넷 항성의 붕괴에서 유래한 구성은 초기 파rameter의 자유도가 더 높아 실현 가능성이 높다.
• 에너지 출력은 각운동량 분포와 블랙홀 스핀에 매우 민감하며, 최대 스핀일수록 이용 가능한 에너지가 최대가 된다.
• 점성의 포함은 저에너지 병합 모델을 구원하지 못하며, 이는 이러한 시나리오에 근본적인 에너지 제약이 있음을 시사한다.
• 근접 최대 케러 블랙홀 주위의 고역량 토러스는 모델 프레임워크 내에서 가장 유망한 원천 후보로 부상한다.