[論文レビュー] Superconducting cosmic strings as gamma ray burst engines

V. Berezinsky, B. Hnatyk+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2000

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、超伝導宇宙ひもに生じるくびれ（cusp）が、磁化プラズマ内での粒子加速によって相対論的ジェットを駆動する高指向性な電磁脈動を発生させることで、ガンマ線バースト（GRB）を駆動するエンジンとして機能すると提案する。モデルは、唯一のパラメータであるひものスケール η ~ 10^14 GeV を用いて、GRBの発生率、持続時間、放射量、時間的構造を説明する。また、LIGO、VIRGO、LISAの検出器で検出可能な重力波バーストを予測する。

ABSTRACT

Cusps of superconducting strings can serve as GRB engines. A powerful beamed pulse of electromagnetic radiation from a cusp produces a jet of accelerated particles, whose propagation is terminated by the shock responsible for GRB. A single free parameter, the string scale of symmetry breaking $η\sim 10^{14} GeV$, together with reasonable assumptions about the magnitude of cosmic magnetic fields and the fraction of volume that they occupy, explains the GRB rate, duration and fluence, as well as the observed ranges of these quantities. The wiggles on the string can drive the short-time structures of GRB. This model predicts that GRBs are accompanied by strong bursts of gravitational radiation which should be detectable by LIGO, VIRGO and LISA detectors.

研究の動機と目的

• GRBモデルにおけるエネルギーの指向性問題を解決し、高指向性放射の自然な源を提案すること。
• 超伝導宇宙ひもの対称性の破れスケール η ~ 10^14 GeV のみを用いて、観測されたGRBの発生率、持続時間、放射量を説明すること。
• ひもの微小スケールのうねりによって、短時間スケールのGRB構造を説明すること。
• くびれイベントから生じる強力で検出可能な重力波バーストを予測し、LIGO、VIRGO、LISAによる検証を可能にすること。
• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源問題を解決し、GRBの衝撃波が10^20 eVに達するまで粒子を加速できることを示すこと。

提案手法

• 磁化プラズマ環境下における超伝導宇宙ひもに生じるくびれの形成を、パルス的電磁放射源としてモデル化すること。
• 電流の振幅 J₀ ~ e²Bl と最大ローレンツ因子 γ_max ~ eη/J₀ を決定するため、ひもの対称性の破れスケール η を唯一の自由パrameterとして用いること。
• compactness条件 γ_CD ≥ 10² を適用し、くびれの力学的性質からGRB放射の持続時間 τ_GRB ~ l/(2γ³) を推定すること。
• LIGO/VIRGO/LISAにおける検出可能性を評価するため、重力波の振幅 h ~ 10⁻²¹ α₋₈^(5/3) z⁻¹ (τ/1 s)^(1/3) を推定すること。
• くびれによって駆動される相対論的衝撃波における粒子加速を評価し、最大陽子エネルギー E_max ~ γ_CD² m_p ~ 10²⁰ eV を得ること。
• 磁場の時間発展と体積充填率 f_B ~ 0.1 を組み込み、エネルギーの放出と放射効率をモデル化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導宇宙ひものくびれは、GRBのエネルギー収支を説明するために必要な高指向性放射を自然に生成できるか？
• RQ2 宇宙磁場の妥当な仮定のもとで、唯一のパrameterであるひものスケール η ~ 10^14 GeV と、観測されたGRBの発生率、持続時間、放射量を説明できるか？
• RQ3 ひもの微小スケールのうねりは、GRB光曲線に観測される短時間スケールの変動を説明できるか？
• RQ4 くびれによって駆動されるジェットは、LIGO、VIRGO、LISAで検出可能な強度の重力波バーストを発生させるか？
• RQ5 くびれによって駆動される衝撃波は、観測されたUHECRに一致する10^20 eV以上のエネルギーまで陽子を加速できるか？

主な発見

• モデルは、宇宙磁場およびその体積充填率に関する妥当な仮定のもとで、観測されたGRBの発生率、持続時間（10⁻² s から 10³ s）、放射量を、唯一のパrameterであるひものスケール η ~ 10^14 GeV で説明できる。
• GRB放射の持続時間 τ_GRB ~ l/(2γ³) は、くびれイベントの持続時間と一致し、γ ~ 10²–10⁵ は局所的条件に依存する。
• くびれから発生する重力波バーストの振幅は、τ ~ 1 s かつ z ≤ 1 の場合、h ~ 10⁻²¹ に達すると予測され、LIGO、VIRGO、LISAで検出可能である。
• （例：ローカルスーパークラスタ内など）磁場が強化された領域におけるくびれは、γ_CD ~ 3×10⁵ の衝撃波を生成し、陽子の加速を E_max ~ 10²⁰ eV まで可能にする。これはUHECR観測と一致する。
• ひもの微小スケールのうねりは複数のミニくびれを生成し、GRB光曲線に観測される短時間スケールの構造を説明できる。
• モデルは、磁化領域における局所的で高ローレンツ因子の衝撃波を許容する一方で、最高エネルギー陽子の直線的伝播を抑制することで、UHECRのGZKカットオフ問題を解決する。