[论文解读] On the Dyadosphere of Black Hole

Giuliano Preparata, R. Ruffini+1 more|ArXiv.org|Apr 4, 2002

Relativity and Gravitational Theory被引用 8

一句话总结

本文提出伽马射线暴（GRBs）起源于电磁黑洞（EMBH）周围的狄亚多斯phere——一个超临界电场触发真空正负电子对产生（通过施温格机制）的区域。该过程以接近100%的效率提取能量，产生相对论性对-电磁脉冲（PEM-pulse），解释了GRB的能量特性，并提供了一个独特且可计算的模型，与中子星并合模型截然不同。

ABSTRACT

Basic energy requirements of Gamma Ray Burst(GRB) sources can be easily accounted for by a pair creation process occurring in the "Dyadosphere" of a Black Hole endowed with an electromagnetic field (abbreviated to EMBH for "electromagnetic Black Hole"). This includes the recent observations of GRB971214 by Kulkarni et al. The "Dyadosphere" is defined as the region outside the horizon of an EMBH where the electromagnetic field exceeds the critical value for e^+ e^- pair production. In a very short time $\sim O(hbar mc^2}), very large numbers of pairs are created there. Further evolution then leads naturally to a relativistically expanding pair-electromagnetic-pulse (PEM-pulse). Specific examples of Dyadosphere parameters are given for 10 and 10^5 solar mass EMBH's. This process does occur for EMBH with charge-to-mass ratio larger than 2.210^{-5} and strictly smaller than one. From a fundamental point of view, this process represents the first mechanism proved capable of extracting large amounts of energy from a Black Hole with an extremely high efficiency (close to 100%).

研究动机与目标

• 通过涉及真空正负电子对产生的新颖机制，解释伽马射线暴（GRBs）的极端能量需求。
• 提出狄亚多斯phere作为电磁黑洞（EMBHs）周围的一个物理区域，其中电场超过施温格临界阈值。
• 证明该过程可实现从EMBH近乎100%的能量提取效率，超越传统模型。
• 基于狄亚多斯phere参数，提供一个独特且可计算的GRB起始初始条件模型，与模糊的火球或并合模型形成对比。

提出的方法

• 使用海森堡-艾希尔-施温格真空极化的相对论不变形式，模拟强电磁场中的电子-正电子对产生。
• 将狄亚多斯phere定义为EMBH视界之外电场超过临界值 $\mathcal{E}_c = m^2c^3/\hbar e$ 的区域。
• 对非旋转EMBH应用雷茨纳-诺斯特伦度规，计算狄亚多斯phere半径 $r_{\rm ds}$ 作为质量与电荷的函数。
• 通过在狄亚多斯phere上积分，利用克里斯托杜卢-鲁菲尼质量公式，推导每对能量与总提取能量。
• 利用相对论流体动力学和广义相对论代码，分析生成的对演化为相对论性PEM-pulse的过程。
• 将理论预测与GRB971214的观测数据进行比较，包括余晖光曲线和红移距离。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRBs的极端能量输出能否通过EMBH狄亚多斯phere中的真空正负电子对产生机制来解释？
• RQ2 在何种特定质量与电荷条件下，狄亚多斯phere形成并使正负电子对产生占主导地位？
• RQ3 通过该机制从EMBH提取能量的效率如何？是否如克里斯托杜卢-鲁菲尼公式所预测的那样趋近100%？
• RQ4 所产生的PEM-pulse如何演化？是否能重现观测到的余晖光曲线？
• RQ5 该模型能否唯一确定GRB起始的初始条件，而不同于以往的火球或双星并合模型？

主要发现

• 当EMBH的电荷质量比超过 $2.2 \times 10^{-5}$ 时，狄亚多斯phere形成，其外半径 $r_{\rm ds}$ 由 $r_{\rm ds} \propto (GM/c^2)^{1/2} (\hbar/mc)^{1/2}$ 决定。
• 对于质量为 $10M_\odot$、$\xi = 1$ 的EMBH，狄亚多斯phere从 $r_{+} \approx 2.9$ km 延伸至 $r_{\rm ds} \approx 1.4$ km，靠近视界处平均对能量可达约100 MeV。
• 对于质量为 $10^5M_\odot$、$\xi = 1$ 的EMBH，狄亚多斯phere从 $r_{+} \approx 2.9 \times 10^5$ km 延伸至 $r_{\rm ds} \approx 1.4 \times 10^5$ km，对能量峰值达约10 MeV。
• 通过真空极化提取的总能量可达EMBH质量-能量的50%，对于极端EMBH，效率趋近100%。
• 该模型预测产生一个相对论性PEM-pulse，其演化与GRB971214的余晖光曲线一致，特别是幂律衰减特征。
• 该情景为GRB起始提供了唯一且可计算的初始状态，与火球或双星并合模型中模糊的初始条件形成鲜明对比。