[论文解读] Anisotropic Energy Injection from Magnetar Central Engines in Short GRBs

Yihan Wang, Bing Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Gamma-ray bursts and supernovaePhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究利用特殊相对论磁流体动力学（SRMHD）模拟表明，短伽马射线暴中磁星中心引擎的能量注入由于磁星风星云（MWN）内的准直化而具有方向性，与各向同性假设相比，导致喷射物中的能量注入减少多达10倍。该方向性由比值 $\alpha = u_{\rm A}/u_{\rm MWN}$ 决定，其中高磁化率和低速膨胀有利于准直化，使得在真实的短伽马射线暴条件下各向同性注入极不可能实现。

ABSTRACT

A long-lived magnetar, potentially originating from a binary neutron star system, has been proposed to explain the extended emission observed in certain short-duration gamma-ray bursts (sGRBs), and is posited as a potential central engine to power the engine-fed kilonovae. Previously, the process by which energy is injected into the surrounding ejecta/jet was widely believed to be nearly isotropic. In this study, we employ special relativity magnetohydrodynamic (SRMHD) simulations to investigate the wind injection process from a magnetar central engine. We explore the dynamics and energy distribution within the system and found that the parameter $α=u_{ m A}/u_{ m MWN}$ can be used to indicate the collimation of the magnetar wind energy injection, where $u_{ m A}$ is the local Alfven four-speed and $u_{ m MWN}$ is the four-speed of the magnetar wind nebular (MWN) formed from wind-ejecta collision. A significant portion of the injected energy from the magnetar spin-down wind will be channeled to the jet axis due to collimation within the MWN. Achieving isotropic energy injection requires a significantly small $α$ that necessitates either an ultra-relativistic expanding MWN or an extremely low magnetization MWN, both of which are challenging to attain in sGRBs. Consequently, a considerably reduced energy budget (i.e. energy per solid angle reduced by a factor of up to 10 with respect to the value under isotropic assumption) is anticipated to be injected into the ejecta for engine-fed kilonovae. Engine-fed kilonovae would appear fainter than originally anticipated.

研究动机与目标

• 研究短伽马射线暴（sGRBs）中磁星中心引擎的能量注入方向性，挑战各向同性能量沉积的假设。
• 确定在磁星风星云（MWN）动力学作用下，磁星风能量注入变为各向同性的物理条件。
• 评估方向性能量注入对引擎供能千新星的影响，特别是针对某些sGRB对应体中观测到的暗淡和未检测到的现象。
• 评估某些sGRB中千新星观测亮度较低是否可由风准直化导致的能量注入效率降低来解释，而非磁星引擎的缺失。

提出的方法

• 采用特殊相对论磁流体动力学（SRMHD）模拟，以模拟磁星风注入喷射物及磁星风星云（MWN）的形成过程。
• 定义参数 $\alpha = u_{\rm A}/u_{\rm MWN}$，其中 $u_{\rm A}$ 为局地阿尔文四维速度，$u_{\rm MWN}$ 为MWN的四维速度，作为风准直化的关键指标。
• 分析MWN内部的能量分布与流体结构，以确定有多少能量被引导至喷流轴向，又有多少为各向同性分布。
• 改变初始条件，如磁化率、风速和喷射物分布，以评估准直化对这些参数的敏感性。
• 研究预存喷流导管在物质主导区域中促进磁星风极向喷流的作用。
• 比较方向性与各向同性假设下的能量注入效率，以量化对喷射物有效能量输入的减少程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在短伽马射线暴中，磁星中心引擎的能量注入在多大程度上是各向同性的？实现各向同性所需的物理条件是什么？
• RQ2 由风-喷射物碰撞形成的磁星风星云（MWN）如何影响磁星风能量注入的准直化？
• RQ3 参数 $\alpha = u_{\rm A}/u_{\rm MWN}$ 在决定能量注入方向性程度方面起什么作用？
• RQ4 风准直化如何影响引擎供能千新星的预期亮度？这能否解释观测到的千新星暗淡现象？
• RQ5 如果能量注入具有方向性，是否可以调和某些sGRBs中未检测到明亮千新星与长寿命磁星引擎存在的矛盾？

主要发现

• 参数 $\alpha = u_{\rm A}/u_{\rm MWN}$ 是风准直化的强指标，当 $\alpha \gg 1$ 时，有利于能量沿喷流轴向集中注入。
• 各向同性能量注入要求MWN的超相对论性膨胀或MWN中磁化率极低，这两种条件在真实的短伽马射线暴环境中均难以实现。
• 由于MWN内部的准直化，大量磁星风能量被引导至喷流轴向，导致非轴向方向的能量注入减少。
• 由于风准直化，有效注入喷射物的能量相比各向同性假设减少了最多10倍，导致引擎供能千新星亮度降低。
• 能量注入的方向性对喷射物密度分布不敏感，但预存喷流导管在物质主导区域中可增强极向喷流。
• 结果调和了某些sGRBs中未检测到明亮千新星与长寿命磁星引擎共存的矛盾，因为能量注入效率降低自然导致更低的亮度。