[论文解读] Possible Short Gamma-Ray Bursts Associated with Black Hole - Black Hole Mergers

Bing Zhang|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

本文提出，带电黑洞-黑洞（BH-BH）并合可通过并合过程中快速演化的磁偶极子产生的庞加莱流（Poynting flux）耗散，产生短伽马射线暴（GRBs）。若黑洞电荷量级为临界电荷 $Q_c$ 的 $\hat{q} \sim 10^{-5}-10^{-4}$，则由此产生的高能暂现源可能表现为可探测的短伽马射线暴，或可解释与 GW 150914 共事的费米 GBM 信号。

ABSTRACT

The discoveries of GW 150914, GW 151226, and LVT 151012 suggest that double black hole (BH-BH) mergers are common in the universe. If at least one of the two merging black holes carries certain amount of charge, possibly retained by a rotating magnetosphere, the inspiral of a BH-BH system would drive a global magnetic dipole normal to the orbital plane. The rapidly evolving magnetic moment during the merging process would drive a Poynting flux with an increasing wind power. The magnetospheric activities during the final phase of the merger would make a fast radio burst (FRB) if the BH charge can be as large as a factor of $\hat q \sim (10^{-9}-10^{-8})$ of the critical charge $Q_c$ of the BH. At large radii, dissipation of the Poynting flux energy in the outflow would power a short duration high-energy transient, which would appear as a detectable short-duration gamma-ray burst (GRB) if the charge can be as large as $\hat q \sim (10^{-5}-10^{-4})$. The putative short GRB coincident with GW 150914 recorded by Fermi GBM may be interpreted with this model. Future joint GW/GRB/FRB searches would lead to a measurement or place a constraint on the charges carried by isolate black holes.

研究动机与目标

• 研究带电黑洞-黑洞并合是否能产生可观测的短伽马射线暴（GRBs）。
• 探讨类似 GW 150914 的引力波事件的电磁对应体，特别是在带电黑洞背景下的表现。
• 评估此类 GRBs 的可探测性，并探讨通过联合 GW/GRB/FRB 观测约束黑洞电荷的可行性。

提出的方法

• 建模旋转带电黑洞在 BH-BH 吸引并合过程中产生的磁偶极矩。
• 计算轨道平面内随时间变化的 Poynting 流量。
• 基于磁矩变化率估算电磁喷流的风功率。
• 评估大半径处的能量耗散，以判断 Poynting 流量是否足以驱动短时高能暂现源。
• 以临界电荷 $Q_c$ 为参考，定义无量纲电荷 $\hat{q} = q/Q_c$，并评估可观测信号特征。
• 将预测的 GRB 亮度与持续时间与费米 GBM 对 GW 150914 的探测结果进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 带电黑洞-黑洞并合是否可通过 Poynting 流量耗散产生可探测的短伽马射线暴？
• RQ2 为使短 GRB 达到可观测亮度，黑洞电荷（$\hat{q}$）需处于何种范围？
• RQ3 与 GW 150914 共事的费米 GBM 信号是否与该电磁对应体模型一致？
• RQ4 未来对引力波、伽马射线暴和快速射电暴的联合观测是否可约束孤立黑洞的电荷？
• RQ5 何种物理机制可将并合带电黑洞系统的电磁能量转化为短时高能暂现源？

主要发现

• 当黑洞电荷为临界电荷 $Q_c$ 的 $\hat{q} \sim 10^{-5}-10^{-4}$ 时，即可通过 Poynting 流量耗散产生可探测的短时伽马射线暴。
• 若电荷达到 $Q_c$ 的 $\hat{q} \sim 10^{-9}-10^{-8}$，带电 BH-BH 并合可能在最终并合阶段因磁层活动产生快速射电暴（FRB）。
• 费米 GBM 记录的与 GW 150914 共事的假定短 GRB 可能由本模型解释，暗示该引力波事件存在可能的电磁对应体。
• 该模型预测，大半径处 Poynting 流量能量耗散产生的暂现源特性与短 GRB 一致，包括持续时间与峰值亮度。
• 未来对引力波、伽马射线暴与快速射电暴的联合探测可能实现对孤立黑洞电荷的测量或约束。