[论文解读] Gamma-ray bursts from X-ray binaries

H. C. Spruit|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 8

一句话总结

本文提出，伽马射线暴（GRBs）可能源自包含弱磁化中子星的X射线双星系统。当中子星通过吸积自转加快时，r模不稳定性会通过引力波驱动快速角动量损失，使磁场在数月内增强至约10^17 G；随后，浮力不稳定性释放该能量，产生持续1–100秒、能量为1–8×10^51 erg的伽马射线暴。

ABSTRACT

A weakly magnetized ($\sim 10^7$G) neutron star, slowly spun up by accretion in an X-ray binary, crosses the instability boundary for r-mode instability at P=1--2 msec. The amplitude of the oscillation, which initially increases only at the spinup time scale, is secularly unstable due to the negative temperature dependence of the viscosity in neutron star matter, and diverges after a few hundred years. Angular momentum loss by the gravitational wave causes strong differential rotation, in which the magnetic field is wound up to $10^{17}$G on a time scale of a few months. When this field becomes unstable to buoyancy instability, a surface field strength of a few $10^{16}$G is produced on a time scale of seconds, which then powers a GRB with energies of $\sim 1-8 imes 10^{51}$ and duration of 1--100 sec.

研究动机与目标

• 通过X射线双星系统中一种新机制解释短时伽马射线暴（GRBs）的起源。
• 研究弱磁化中子星尽管初始磁场较弱，如何仍能产生高能GRBs。
• 探讨r模不稳定性与引力波辐射在驱动磁场增强中的作用。
• 模拟通过浮力驱动磁场浮现过程的GRB产生 timescale 与能量特性。

提出的方法

• 对具有约10^7 G磁场的中子星在X射线双星系统中的自转加快过程进行建模。
• 应用r模不稳定性判据，确定在自转周期1–2 ms时，振荡的长期增长何时开始。
• 利用中子星物质中粘性随温度降低的负依赖关系，预测长期不稳定性增长持续约300年。
• 计算由引力波驱动的角动量损失，导致强烈的差速旋转。
• 模拟由于差速旋转引起的磁场缠绕，使磁场在数月内增强至约10^17 G。
• 评估磁化流体中浮力不稳定的触发，导致表面磁场在秒 timescale 内浮现约10^16 G。

实验结果

研究问题

• RQ1 X射线双星系统中吸积而成的中子星的r模不稳定性是否可导致可观测的GRBs？
• RQ2 在自转中子星中，通过差速旋转实现磁场增强的时间尺度是什么？
• RQ3 浮力不稳定性如何触发储存磁场能量的释放以驱动GRB？
• RQ4 该机制产生的GRB预期能量与持续时间是多少？
• RQ5 初始磁场强度与自转周期如何影响GRB产生的可能性？

主要发现

• 弱磁化中子星（B ~ 10^7 G）的r模不稳定性在约300年自转加快后变得长期不稳定，导致振荡迅速增长。
• r模产生的引力波会提取角动量，引发强烈差速旋转，使磁场在数月内增强至约10^17 G。
• 磁化流体中的浮力不稳定性导致表面磁场在秒 timescale 内浮现约10^16 G。
• 释放的磁场能量驱动了各向同性能量为1–8×10^51 erg、持续1–100秒的伽马射线暴。
• 该机制与观测到的短GRBs一致，并为吸积驱动的X射线双星系统向高能暂现源的物理演化路径提供了依据。
• 该模型预测了特定的观测特征：由X射线双星系统自转加快阶段触发的GRBs，可能被当前及未来的伽马射线探测仪器探测到。