[论文解读] A Possible Model for the Supernova/Gamma-Ray Burst Connection

X. Y. Wang, Zi-Gao Dai+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文提出一种模型，通过在超新星（SNe）爆发数天后，将一颗大质量、快速旋转的中子星转化为奇异星，从而建立超新星与伽马射线暴（GRBs）之间的联系。由此产生的超相对论性火球，因极低的重子污染而被加速，沿超新星喷流轴向产生伽马射线暴及其余晖；同时，显著的能量释放也可驱动类似SN1998bw的明亮超新星。

ABSTRACT

Conversion from neutron stars to strange stars as a possible mechanism of cosmological gamma-ray bursts (GRBs) has been discussed in previous works, although the existence of strange stars is still an open question. On the basis of this mechanism, we here outline an explanation of the connection between supernovae (SNe) and GRBs, which has got increasing evidence recently. An asymmetric but normal SN explosion leaves a massive ($\geq1.8{ m M_\odot}$) and rapidly rotating neutron star, which then converts to a strange star few days later, due to its rapid spindown. The accompanied fireball, which can be accelerated to ultra-relativistic velocity ($Γ_0\sim 100$) due to the very low baryon contamination of the strange star, flows out along the direction of the high-velocity SN jet and subsequently produces a GRB and the following low energy afterglows by interacting with the surrounding stellar wind. We will also expect a very luminous supernova like SN1998bw, if a large fraction of the conversion energy finally turns into the kinetic energy of the supernova ejecta.

研究动机与目标

• 解释长持续时间伽马射线暴（GRBs）与核心坍缩超新星（如SN1998bw）之间观测到的关联。
• 阐明大质量、快速旋转的中子星在超新星爆发后如何触发伽马射线暴的机制。
• 探讨奇异星形成在驱动超相对论性喷流及后续伽马射线暴辐射中的作用。
• 通过能量向抛射物的转移，解释在GRB相关事件中观测到的明亮超新星成分。

提出的方法

• 提出在非对称超新星爆发中形成的巨大中子星（≥1.8 M☉）在数天内通过自转减慢驱动转化为奇异星。
• 将转化过程建模为因极低重子污染而产生的超相对论性火球辐射源。
• 假设火球沿超新星喷流轴向被准直，通过与周围恒星风的相互作用产生伽马射线暴。
• 使用相对论流体动力学描述火球加速至洛伦兹因子Γ₀ ~ 100的过程。
• 将奇异星形成释放的能量转移至超新星抛射物中，以解释明亮SNe的形成。
• 应用SN1998bw的观测约束，验证该模型在光度和 timescale 上的预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 超新星爆发如何通过后续的恒星转化导致伽马射线暴？
• RQ2 何种物理机制可使中子星向奇异星转化，从而产生洛伦兹因子Γ₀ ~ 100的超相对论性火球？
• RQ3 为何部分伽马射线暴与明亮超新星相关，能量如何传递至抛射物？
• RQ4 在该模型中，低重子污染在实现相对论性喷流中起何种作用？
• RQ5 观测到的余晖光曲线是否可由火球与先前存在的恒星风相互作用来解释？

主要发现

• 中子星向奇异星的转化发生在超新星爆发数天后，为伽马射线暴提供了延迟触发机制。
• 由于极低的重子污染，产生的火球达到约100的洛伦兹因子。
• 伽马射线暴和余晖由相对论喷流与周围恒星风的相互作用产生。
• 转化能量的显著部分可被引导至超新星抛射物的动能中，从而解释SN1998bw等事件的亮度。
• 该模型通过共同的前身体机制自然解释了长持续时间伽马射线暴与Ic型超新星之间的观测关联。
• 该模型与伽马射线暴余晖及关联超新星的观测时标和能量学一致。