[论文解读] A cannonball model of gamma-ray bursts: superluminal signatures

Arnon Dar, A. De Rújula|ArXiv.org|Aug 30, 2000

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 10

一句话总结

本文提出了一种伽马射线暴（GRBs）的炮弹模型，其中从超新星吸积盘喷射出的相对论性离子束（'炮弹'）在穿出超新星壳层后通过再加热和再辐射产生GRBs。该模型预测余晖中存在超光速运动——一个决定性证据——为GRB 980425提供了可检验的预测，若能立即开展后续观测，此类运动仍可能被探测到。

ABSTRACT

Recent observations suggest that the long-duration gamma ray bursts (GRBs) and their afterglows are produced by highly relativistic jets emitted in supernova explosions. We propose that the result of the event is not just a compact object plus the ejecta: within a day, 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. The GRB is produced as the jetted cannonballs exit the supernova shell reheated by the collision, re-emitting their own radiation and boosting the light of the shell. They decelerate by sweeping up interstellar matter, which is accelerated to cosmic-ray energies and emits synchrotron radiation: the afterglow. We emphasize here a smoking-gun signature of this model of GRBs: the superluminal motion of the afterglow, that can be searched for ---the sooner the better--- in the particular case of GRB 980425.

研究动机与目标

• 通过超新星遗迹中吸积驱动的相对论性炮弹模型，解释长持续时间GRBs及其余晖的起源。
• 通过在狭窄圆锥内（~10⁻³弧度）的束流化，提出解决GRBs中'能量危机'的方案，使高各向同性能量与低观测率相协调。
• 识别出一个独特且可检验的预测——余晖中存在超光速运动——可作为确认炮弹机制的依据。
• 通过将炮弹喷射建模为大质量超新星中回落吸积的自然结果，加强SN–GRB关联性。
• 提供一种通过与星际物质相互作用加速宇宙射线并产生同步辐射余晖的机制。

提出的方法

• 将GRB的产生建模为从超新星爆发后吸积盘喷射出的相对论性离子束，其洛伦兹因子Γ ≫ 1。
• 模拟炮弹穿出超新星壳层的过程，期间其被再加热并重新辐射能量，从而增强壳层的亮度。
• 通过炮弹扫掠的星际物质产生的同步辐射计算余晖发射。
• 利用相对论运动学预测余晖的表观超光速运动，可通过高时间分辨率的多波段监测探测。
• 应用宇宙学修正（红移校正）将SN1998bw类光曲线与遥远GRB余晖进行比较。
• 聚焦于GRB 980425，因其红移较低（z = 0.0085）、通量小且距离近，有利于探测超光速运动。

实验结果

研究问题

• RQ1 炮弹模型能否通过回落吸积盘中喷射的相对论性离子束，解释长持续时间GRBs及其余晖的观测特性？
• RQ2 该模型是否预测了一个独特且可观测的特征——余晖中的超光速运动——可作为其有效性的确认？
• RQ3 考虑到其红移和亮度，GRB 980425与SN1998bw的关联是否与炮弹模型一致？
• RQ4 通过在窄喷流内（θ ~ 10⁻³弧度）束流化，该模型能否解决GRB的'能量危机'？
• RQ5 当进行正确的红移校正后，GRB 970228的余晖是否与SN1998bw类光曲线一致？

主要发现

• 炮弹模型预测GRB余晖中存在表观超光速运动，这是标准火球模型无法预测的决定性证据。
• 对于GRB 980425（z = 0.0085），由于其红移较低且观测条件优越，该模型预测可探测到超光速运动。
• 该模型将GRB 970228的余晖解释为经过红移校正的SN1998bw类光曲线，支持SN–GRB关联性。
• 在窄圆锥内（θ ~ 10⁻³弧度）的束流化使GRB的高各向同性能量与低观测率得以协调。
• 炮弹机制自然通过与星际介质的相互作用产生同步辐射余晖，并将宇宙射线加速至极高能量。
• 该模型为大质量超新星中回落吸积形成的类微型类星体引擎喷射炮弹提供了物理解释。