[논문 리뷰] On the pair-electromagnetic pulse from an electromagnetic Black Hole surrounded by a Baryonic Remnant

R. Ruffini, J. D. Salmonson외 2명|arXiv (Cornell University)|2000. 04. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 전자기 블랙홀(EMBH)에서 진공 극화에 의해 생성된 쌍전자기 펄스(PEM)가 둘레를 둘러싼 바리온 성분의 쉘과 상호작용하는 것을 일반 상대론적 유체역학과 간단한 두께 일정한 근사법을 사용하여 연구한다. 이는 바리온 질량이 다이아도스피어 에너지의 1% 이하일 경우 근사법이 정확하게 시스템을 모델링함을 보여주며, 천체물리학적으로 관련성이 있는 감마선 폭발(GRB) 시나리오에 적용 가능함을 검증한다. 또한 10³M⊙ EMBH에 대해 다양한 바리온 질량을 가진 경우의 주요 GRB 특성, 예를 들어 방출 에너지와 관측 온도를 유도한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 감마선 폭발(GRB) 형성 맥락에서 전자기 블랙홀(EMBH)을 둘러싸는 바리온 성분의 쉘과 상대론적 PEM 펄스의 상호작용을 모델링하기 위해.
• PEM 펄스가 바리온 물질을 통과할 때의 전파에 대해 전체 일반 상대론적 유체역학과 비교하여 고정 두께 근사법의 타당성을 검증하기 위해.
• 10³M⊙ EMBH와 다양한 바리온 쉘 질량을 가진 경우, 충돌 후 바리온 쉘의 방출 에너지, 관측 온도, 운동 에너지를 결정하기 위해.
• 근사법이 성립하는 매개변수 영역과 방출된 GRB 에너지가 탐지 가능한지 평가함으로써 모델의 천체물리학적 관련성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 실험실 기준에서 PEM 펄스와 바리온 쉘 간의 상호작용은 두께가 고정된 근사법을 사용하여 모델링되며, 두께와 밀도가 일정한 판으로 가정한다.
• 고정 두께 근사법의 타당성을 다양한 바리온 쉘 질량에 대해 전체 일반 상대론적 유체역학 방정식의 수치적 적분을 통해 검증한다.
• 크리스토풀루-루피니 질량 공식과 레이스너-노르트스트롬 기하학을 사용하여 EMBH를 기술하고, 전기장 강도가 초과한 전기장으로 인해 e⁺e⁻ 쌍 생성이 발생하는 영역인 다이아도스피어를 정의한다.
• PEM 펄스와 바리온 쉘 간의 비탄성 충돌 동안 에너지 및 운동량 보존 법칙을 적용하며, 열역학적 진화를 추적하기 위해 에ント로피 보존 원리를 사용한다.
• 모델은 실험실 기준 및 동반 기준에서 플라즈마의 전체 러너츠 인자, 내부 에너지, 온도의 진화를 계산한다.
• 충돌 후 복사와 물질 간의 탈결합 및 열화에 기반하여 결과 GRB의 피크 에너지와 지속 시간을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 두께 근사법은 전체 일반 상대론적 유체역학과 비교하여 PEM 펄스가 바리온 쉘과 상호작용할 때의 역학을 얼마나 정확하게 재현하는가?
• RQ2 GRB 방출 맥락에서 고정 두께 근사법이 유효한 최대 바리온 질량은 얼마인가?
• RQ3 10³M⊙ EMBH에 대해 바리온 쉘 질량이 증가함에 따라 GRB의 방출 에너지와 관측 온도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 PEM 펄스와 바리온 물질 간의 비탄성 충돌 중 에ント로피와 열 재활성화의 역할은 무엇인가?
• RQ5 탈결합 후 바리온 물질에 남는 운동 에너지는 관측 가능한 GRB 특성과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 바리온 쉘 질량이 다이아도스피어 총 에너지의 1% 이하일 경우, 고정 두께 근사법은 전체 일반 상대론적 계산과 뛰어난 일치를 보인다.
• 바리온 쉘 질량이 다이아도스피어 에너지의 1%를 초과할 경우 근사법은 붕괴되지만, 이러한 경우는 저에너지 GRB 방출로 인해 천체물리학적 관심이 제한적이다.
• 다이아도스피어 에너지의 10⁻² 수준인 질량-에너지 B를 가진 바리온 쉘과 함께 ξ = 0.1 인 10³M⊙ EMBH에 대해 모델은 탐지 가능한 GRB를 예측하며, 특정 방출 에너지와 관측 온도를 제공한다.
• 충돌은 비탄성 에너지 전달로 인해 플라즈마의 상당한 재가열을 유도하며, 이는 에ント로피 증가와 투과성 반경 근처에서 T³V/T₀³V₀ 비율의 급격한 상승을 초래한다.
• 충돌 후 동반 기준 온도와 실험실 기준 온도 모두 시스템의 팽창에 따라 감소하며, e⁺e⁻ 쌍과 광자의 총 에너지는 보존된다.
• 탈결합 후 바리온 물질에 남는 운동 에너지는 최종 GRB 빛의 세기와 지속 시간을 결정하는 핵심 요소이며, 향후 은하간 매질 내 GRB 후광 모델링에 중요한 함의를 가진다.