[论文解读] The Cannonball Model of Gamma Ray Bursts: Spectral and Temporal Properties of the Gamma Rays

Arnon Dar, A. De Rújula|ArXiv.org|Dec 11, 2000

Statistical and numerical algorithms被引用 5

一句话总结

本文提出弹道球（CB）模型以解释伽马射线暴（GRB）的光谱和时间特性，假设在超新星爆发后喷射出的相对论性离子等离子体弹道球与恒星壳层碰撞，导致重加热并发射前向准直、蓝移的热辐射。该模型成功再现了观测到的GRB脉冲通量、能量谱及时间-能量相关性，尤其适用于峰值能量约为1 MeV、脉宽随E⁻⁰.⁴⁶变化的单个脉冲。

ABSTRACT

Recent observations suggest that gamma ray bursts (GRBs) and their afterglows are produced by highly relativistic jets emitted in supernova explosions. We have proposed that the result of the event is not just a compact object plus the ejecta: within days, a fraction of the parent star falls back to produce a thick accretion disk. The subsequent accretion generates jets and constitutes the GRB ``engine'', as in the observed ejection of relativistic ``cannonballs'' of plasma by microquasars and active galactic nuclei. Here we investigate the production of a GRB as the jetted cannonballs exit the supernova shell reheated by their collision with it, emitting highly forward-collimated radiation. Each cannonball corresponds to an individual pulse in a GRB. We cannot predict the timing sequence of these pulses, but the Cannonball Model fares very well in describing the total energy, energy spectrum, and time-dependence of the individual pulses.

研究动机与目标

• 使用相对论性弹道球模型解释伽马射线暴（GRBs）的光谱和时间特性。
• 解决GRB起源的未解之谜，特别是其高度准直、相对论性辐射的本质。
• 将单个GRB脉冲的产生建模为冷却、膨胀弹道球前表面的前向准直、蓝移热辐射。
• 检验弹道球模型是否能定量再现观测到的GRB特征，如脉冲能量、光谱及时间-能量相关性。

提出的方法

• 将弹道球建模为超新星爆发后喷射出的相对论性离子等离子体团块，洛伦兹因子约为10³。
• 模拟弹道球与超新星壳层的碰撞，导致重加热并发射热辐射。
• 利用相对论性束射和辐射输运，计算弹道球在膨胀和冷却过程中随时间变化的温度和光度。
• 通过弹道球前表面热辐射的相对论性束射，推导单个脉冲的能量谱和光变曲线。
• 利用透明条件（光学深度τ ≈ 1）确定γ射线逃逸的时间和半径。
• 应用Δt ∝ E⁻⁰.⁴⁶关系以评估与观测时间-能量相关性的符合程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 弹道球模型能否再现单个GRB脉冲的观测能量谱和通量？
• RQ2 GRB脉冲的时间演化和光谱特性如何由相对论性弹道球的动力学产生？
• RQ3 该模型是否预测出与观测一致的时间-能量相关性，特别是Δt ∝ E⁻⁰.⁴⁶？
• RQ4 在该框架下，单个GRB脉冲的峰值能量和宽度由什么决定？
• RQ5 弹道球热辐射的相对论性束射如何解释观测到的脉冲形态？

主要发现

• 模型预测在透明时刻的特征温度约为0.16 keV，其随时间变化关系为T(t) ∝ [t⁻¹γ(t)]¹ᐟ²，与观测到的GRB脉冲温度一致。
• 在弹道球静止参考系中，单个脉冲的总辐射能量约为3×10⁴⁵ erg，与观测通量相符。
• 在超新星静止参考系中，γ射线谱的峰值能量约为1 MeV，与观测结果一致。
• 脉冲宽度与E⁻⁰.⁴⁶成比例，与Fenimore等人（1995年）观测到的相关性非常接近。
• 当密度指数n=8时，温度演化比1/t²下降得更快，这是由于洛伦兹因子减小所致，从而影响脉冲展宽。
• 该模型对表面加热和体积加热两种情形均给出相似的脉冲能量和光谱预测，表明其具有鲁棒性。