[논문 리뷰] The dyadosphere of black holes and gamma-ray bursts

Giuliano Preparata, R. Ruffini외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 10. 12.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 특정 블랙홀 주변의 극한 전자기장—전자기 블랙홀(EMBHs)—이 스윙거 효과를 통해 진공 쌍 생성을 유도할 수 있으며, 이로 인해 전자-양전자 쌍이 빠르게 형성되는 '디아도스피어'를 형성할 수 있다고 제안한다. 10M⊙ 및 10⁵M⊙ EMBH에서 이러한 과정이 상대론적 쌍-전자기 펄스(P.E.M. 펄스)를 생성할 수 있으며, 이는 관측된 감마선 폭발(GRBs)을 동원할 만큼 충분한 에너지를 갖는다. 특히 적색편이 z=3.4인 GRB971214도 이를 설명할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 극한 전자기장 블랙홀(EMBHs)이 진공 쌍 생성을 통해 디아도스피어를 형성할 수 있는 이론적 조건을 확립하기 위해.
• 은하수질 블랙홀과 초거대 블랙홀 모두에서 디아도스피어 형성을 지지하는 EMBH의 매개변수(예: 전하, 질량)의 파라미터 공간을 규명하기 위해.
• 후속 상대론적 팽창을 위한 초기 조건으로서 디아도스피어 내 쌍 밀도와 에너지 분포를 모델링하기 위해.
• 디아도스피어에서 발생하는 에너지 출력이 관측된 감마선 폭발(GRBs)의 에너지 특성, 특히 고적색편이 사건인 GRB971214의 경우를 포함하여 설명 가능한지 평가하기 위해.
• EMBH의 형성과 그들의 디아도스피어 형성 과정에서 만족되어야 할 물리적 부등식을 유도하기 위해(그러나 천체물리적 기원은 다루지 않음)

제안 방법

• 디아도스피어를 EMBH 외부에서 전자기장 강도가 스윙거 임계장 강도를 초과하여 전자-양전자 쌍 생성이 가능한 영역으로 정의한다.
• 강한 필드에서의 진공 쌍 생성률을 추정하기 위해 하이젠베르크-에일러 효과 라그랑지안을 사용한다.
• 쌍 생성 시간스케일 ∼ħ/(mc²)를 계산하여 빠르게 밀도가 높은 쌍 플라즈마가 형성됨을 보여준다.
• 쌍 플라즈마와 광자 기체 사이의 열역학적 평형을 가정하여 EMBH 질량에 따라 평균 쌍당 에너지를 추정한다.
• 결과로 생긴 시스템을 初기 압력 기울기로 구동되는 상대론적 쌍-전자기 펄스(P.E.M. 펄스)로 모델링한다.
• EMBH 매개변수(질량, 전하)에 대한 제약 조건을 유도하여 디아도스피어 형성과 GRB에 필요한 충분한 에너지 출력이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10M⊙ 및 10⁵M⊙ 블랙홀에서 디아도스피어 형성을 위한 임계 전자기장 강도와 EMBH 매개변수는 무엇인가?
• RQ2 디아도스피어 내에서 반경 방향 거리에 따라 쌍 밀도는 어떻게 변하는가?
• RQ3 디아도스피어 내 전자-양전자 쌍당 평균 에너지는 얼마이며, EMBH 질량에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 디아도스피어 과정에서 방출되는 에너지가 관측된 감마선 폭발(GRBs), 특히 적색편이 z=3.4인 GRB971214의 빛의 세기와 총 에너지를 설명할 수 있는가?
• RQ5 EMBH와 그들의 디아도스피어 형성 과정에서 유지되어야 할 물리적 부등식은 무엇인가?

주요 결과

• 10M⊙ 및 10⁵M⊙ EMBH에 대해 논문은 디아도스피어 형성으로 이어지는 전하 및 전자기장 강도에 대한 구체적인 한계를 유도한다.
• 디아도스피어 내 쌍 밀도는 반경 좌표의 함수로 계산되었으며, 사건의 지평선 근처에서 높은 밀도를 보임을 보여준다.
• 디아도스피어 내 쌍당 평균 에너지는 광자 기체와의 열역학적 평형을 기반으로 추정되었으며, 이는 P.E.M. 펄스 역학의 초기 조건을 제공한다.
• 결과로 생긴 P.E.M. 펄스는 상대론적 팽창을 겪으며, 감마선 폭발의 관측된 특성과 일치함을 보였다.
• 디아도스피어 과정에서 방출되는 에너지는 적색편이 z=3.4인 GRB971214의 높은 빛의 세기와 총 에너지를 설명하는 데에 충분하다.
• 논문은 EMBH와 그들의 디아도스피어 형성에 필요한 필수 부등식을 확립하였지만, 이들의 천체물리적 기원은 다루지 않았다.