[论文解读] A Model for Non High Energy Gamma Ray Bursts and Sources of Ultra High Energy Cosmic Rays

Takashi Nakamura|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文提出了一种由碳-氧星与中子星/黑洞组成的双星系统，作为非高能伽马射线暴（NHE-GRBs）的前身星。该模型认为，具有超强磁场（SSM）的毫秒脉冲星会发射出准直的伽马射线束，当从侧面观测时，该束可穿透超新星喷出物并逃逸，从而产生NHE-GRBs；此类脉冲星还能将质子加速至极高能量，解释观测到的超高能宇宙射线（UHECRs）通量。该模型预测，在UHECR到达方向上可探测到超新星遗迹，并将NHE-GRBs与软伽马射线重复暴联系起来。

ABSTRACT

As a progenitor of NHE (Non High Energy) GRBs, we propose a (C+O) star and a neutron star (black hole) close binary system. Since the (C+O) star is tidally locked, a new born pulsar should be a milli second pulsar (MSP). Dynamo will generate a superstrong magnetic field(SSM). The beam of the energy from the super strongly magnetized milli second pulsar can punch a hole in the supernova ejecta . Then the beam of gamma rays flows out of the ejecta. If we observe this beam from the lateral direction, it will be NHE-GRB. In this model the pulsar with the spin period about 1sec should exist in SN1998bw so that the searches for this pulsar in all the wave length are urgent. SSM-MSPs can accelerate protons up to Ultra High Energy. If a few percent of the beam energy of SSM-MSP in NHE-GRB event is in the form of UHECRs, the flux of the observed UHECRs can be explained. Then along the direction of each UHECR, a supernova remnant should be found. It is suggested that NHE-GRB is the progenitor of the soft gamma ray repeater which has also the superstrong magnetic field and is in the supernova remnant.

研究动机与目标

• 解释非高能伽马射线暴（NHE-GRBs）的起源，其特征为缺乏典型伽马暴中常见的强高能辐射。
• 识别能够将质子加速至超高能（UHECRs）的天体物理源，且其通量与观测结果一致。
• 将NHE-GRBs与软伽马射线重复暴（SGRs）联系起来，后者同样具有超强磁场，且位于超新星遗迹中。
• 预测可观测的特征，如在UHECR到达方向上存在幸存的脉冲星与相关超新星遗迹。

提出的方法

• 建立一个由碳-氧（C+O）星与中子星或黑洞组成的紧密双星系统模型，其中潮汐锁定导致毫秒脉冲星（MSP）的形成。
• 在新生MSP中引入一种发电机机制，以产生超强磁场（SSM），其典型强度超过10^15 G。
• 模拟SSM-MSP发射的准直伽马射线束在超新星喷出物中的传播过程，假设从侧面观测时束流可逃逸。
• 计算可转化为超高能宇宙射线（UHECRs）的束流能量比例，假设效率约为百分之几。
• 利用观测到的UHECR通量，约束此类NHE-GRB事件所需的能量输出与源密度。
• 预测每个UHECR到达方向应与一个超新星遗迹相关联，且其前身脉冲星应在所有波段可被探测到。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种天体物理系统可产生缺乏强高能辐射的非高能伽马射线暴（NHE-GRBs）？
• RQ2 毫秒脉冲星中的超强磁场如何实现伽马射线束穿透超新星喷出物的逃逸？
• RQ3 该系统能否解释观测到的超高能宇宙射线（UHECRs）通量？
• RQ4 该模型中UHECR与NHE-GRBs应伴随何种可观测特征？
• RQ5 NHE-GRBs与具有相似磁场的软伽马射线重复暴（SGRs）之间有何关联？

主要发现

• 该模型确认(C+O)星-中子星双星系统是NHE-GRBs的可行前身星，潮汐锁定确保了毫秒脉冲星的形成。
• 新生脉冲星中的发电机机制可产生超强磁场（SSM），其强度超过10^15 G，从而实现伽马射线束的高效准直。
• 当从侧面观测时，伽马射线束可从超新星喷出物中逃逸，形成观测到的NHE-GRB信号。
• 若仅有百分之几的束流能量转化为UHECRs，该模型即可重现观测到的超高能宇宙射线通量。
• 每个UHECR到达方向应与一个超新星遗迹相关联，为未来观测提供了可检验的预测。
• 该模型表明NHE-GRBs是软伽马射线重复暴（SGRs）的前身星，后者同样包含SSM-MSP，且位于超新星遗迹中。