[論文レビュー] The inner engine of GeV-radiation-emitting gamma-ray bursts

R. Ruffini, J. A. Rueda+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ゲンバリオン爆発（GRBs）におけるギガエレクトロン（GeV）放射が、カー黑洞の回転エネルギーから、ウォルド解を介して新しい電磁的エネルギー抽出過程によって生じることを提案している。この過程により、10¹⁴ギガセルシウスの外部磁場内での10⁻⁶秒間にわたるインパルス的プロトン加速が可能となり、10²¹ eVに達する。このメカニズムにより、数千年にわたる持続的で離散的なGeV放射イベントが駆動され、長期間持続するGRB（例：GRB 190114C）における高エネルギー放射を説明できる。

ABSTRACT

We motivate how the most recent progress in the understanding the nature of the GeV radiation in most energetic gamma-ray bursts (GRBs), the binary-driven hypernovae (BdHNe), has led to the solution of a forty years unsolved problem in relativistic astrophysics: how to extract the rotational energy from a Kerr black hole for powering synchrotron emission and ultra high-energy cosmic rays. The "inner engine" is identified in the proper use of a classical solution introduced by Wald in 1974 duly extended to the most extreme conditions found around the newborn black hole in a BdHN. The energy extraction process occurs in a sequence impulsive processes each accelerating protons to $10^{21}$ eV in a timescale of $10^{-6}$ s and in presence of an external magnetic field of $10^{14}$ G. Specific example is given for a black hole of initial angular momentum $J=0.3\,M^2$ and mass $M\approx 3\,M_\odot$ leading to the GeV radiation of $10^{49}$ erg$\cdot$s$^{-1}$. The process can energetically continue for thousands of years.

研究の動機と目的

• 長年にわたり未解決であった、カー黑洞の回転エネルギーがどのように長期間持続するGeV放射および超高エネルギー宇宙線を駆動するかという問題を解消すること。
• 従来の重力的降着に比べて優れた効率で持続的にエネルギーを抽出できる、ブラックホールスピンからの効率的で持続可能なエネルギー抽出メカニズムを確立すること。
• 長期間持続するGRBにおけるGeV放射フェーズ（GeV-P）が、連続的な超相対論的状態ではなく、離散的でインパルス的なプロセスの連続であることを説明すること。
• MAGICが観測したGRB 190114Cの赤方偏移およびTeV放射を含む観測データを用いて、モデルを検証すること。
• 中性子星がブラックホールに崩壊する二重駆動ハイパノーバ（BdHNe）のような極端な条件下でも、ウォルド解の適用を拡張すること。

提案手法

• 二重駆動ハイパノーバ（BdHNe）の極端な条件下に拡張された古典的ウォルド解を用いて、カー黑洞からの電磁的エネルギー抽出を実施。
• 内部エンジンを、外部磁場約10¹⁴ G内での10⁻⁶秒間にわたるインパルス的プロトン加速（シンクロtron放射を介して）としてモデル化。
• 高エネルギー光子が透過可能であるよう、ブラックホール周囲のキャビティにおける低バリオン密度（≤10⁻¹³ g cm⁻³）を満たす条件を適用。
• 電磁的降着モデルに、中性子星の前身星に由来する化石磁場を組み込み、ホライズン付近での磁場強度を増幅。
• スムーズド・パーティクル・ハイドロダイナミクス（SPH）シミュレーションを用いて、BdHNe系における超新星残骸とキャビティ形成をモデル化。
• 電磁的エネルギー抽出プロセスのエネルギー効率を重力的降着と比較し、低密度条件下で電磁的プロセスがはるかに効率的であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カー黑洞からの回転エネルギーは、どのように効率的に抽出され、長期間持続するGRBにおけるGeV放射を駆動するのか？
• RQ2 GRB 190114CのようなGRBで高エネルギー放射（GeVおよびTeV）が観測可能となる物理的条件は何か？
• RQ3 従来の単一の超相対論的フェーズモデルは、GRBの後光曲線およびスペクトルをなぜ説明できないのか？
• RQ4 BdHNeにおける電磁的エネルギー抽出プロセスは、標準的な重力的降着と比べて、時間スケール、効率、持続時間の点でどのように異なるか？
• RQ5 ブラックホール周囲の低密度プラズマキャビティは、どのようにして透過性を確保し、数千年にわたる持続的放射を可能にするのか？

主な発見

• 内部エンジンは、ウォルド解を介してカー黑洞の回転エネルギーを抽出し、10¹⁴ Gの磁場下で約10⁻⁶秒間にわたるインパルス的プロトン加速を可能にし、10²¹ eVに達する。
• 各放射イベントは約10⁴⁴ ergのエネルギーを放出し、ブラックホールの回転エネルギーはわずか10⁻⁹減少するため、数千年にわたる継続が可能となる。
• GeV放射フェーズ（GeV-P）は、連続的な超相対論的状態ではなく、離散的でインパルス的なプロセスの連続として説明できる。
• モデルは、1秒間に約10⁴⁰個のプロトンのフラックスを予測し、これは1秒間に約10²² cm⁻³の密度に相当し、観測された放射を駆動するのに十分である。
• ブラックホール周囲の低密度キャビティ（約10⁻¹³ g cm⁻³）により、透過性が確保され、MeV（UPE）およびGeV（GeV-P）放射の観測が可能になる。
• 時間分解された光曲線およびスペクトルの観測データ（GRB 190114C）により、モデルが検証された。観測データは、提案されたインパルス的放射モデルに整合する自己相似的べき乗則を示している。