[论文解读] Assessing Millisecond Proto-Magnetars as GRB Central Engines

Todd A. Thompson|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文评估了毫秒级原磁星作为长暴发伽马射线暴（GRBs）中心引擎的可行性，提出其由快速旋转和强磁场驱动的相对论性、庞加莱通量主导风，可驱动相对论性喷流。关键贡献在于表明：在质量加载阶段受环向应力影响的非相对论性风向相对论性风的过渡，可自然产生与GRB观测一致的准直喷流。

ABSTRACT

Magnetars are a sizable subclass of the neutron star census. Their very high magnetic field strengths are thought to be a consequence of rapid (millisecond) rotation at birth in a successful core-collapse supernova. In their first tens of seconds of existence, magnetars transition from hot, extended ``proto-''magnetars to the cooled and magnetically-dominated objects we identify $\sim10^4$ years later as Soft Gamma-ray Repeaters (SGRs) and Anamolous X-ray Pulsars (AXPs). Millisecond proto-magnetar winds during this cooling phase likewise transition from non-relativistic and thermally-driven to magneto-centrifugally-driven, and finally to relativistic and Poynting-flux dominated. Here we review the basic considerations associated with that transition. In particular, we discuss the spindown of millisecond proto-magnetars throughout the Kelvin-Helmholtz cooling epoch. Because of their large reservoir of rotational energy, their association with supernovae, and the fact that their winds are expected to become highly relativistic in the seconds after their birth, proto-magnetars have been suggested as the central engine of long-duration gamma ray bursts. We discuss some of the issues and outstanding questions in assessing them as such.

研究动机与目标

• 评估毫秒级原磁星是否可作为长暴发伽马射线暴的可行中心引擎。
• 理解原磁星在开尔文-亥姆霍兹冷却 timescale（10–100 秒）内，从非相对论性热驱动风向相对论性、庞加莱通量主导风的过渡机制。
• 研究在开尔文-亥姆霍兹冷却阶段，磁场和快速旋转如何影响喷流准直与能量提取。
• 评估原磁星风动力学对超新星遗迹不对称性及核合成的影响，特别是 56Ni 产量。

提出的方法

• 分析原磁星在开尔文-亥姆霍兹冷却 timescale（10–100 秒）内的自转减速，利用约 10^51 erg 的旋转能量储备。
• 通过五个阶段建模风的演化：(1) 热的、非相对论性的、中微子加热的风；(2) 向磁主导流过渡；(3) 质量加载的、非相对论性的风，σ < 1；(4) 向相对论性、庞加莱通量主导风的过渡；(5) 完全相对论性的、庞加莱通量主导的风。
• 在 σ < 1 阶段应用环向应力效应，表明能量通量优先沿自转轴传输，形成预处理的、中空的、非对称的空腔。
• 利用最大能量通量在天顶角随 σ 增加的条件，解释非相对论性风如何为后续相对论性喷流塑造环境。
• 评估旋转能量释放的效率与 timescale，并与超新星激波传播 timescale 进行比较。
• 考虑风驱动的不对称性对核合成的影响，特别是 56Ni 的生成，并与 SN 1998bw 和 SN 2003dh 等观测到的超能量超新星进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 毫秒级原磁星的相对论性、庞加莱通量主导风是否能自然产生长暴发伽马射线暴中观测到的准直喷流？
• RQ2 从非相对论性风到相对论性风的过渡如何影响喷流准直？环向应力在塑造喷流几何形态中起到什么作用？
• RQ3 原磁星中旋转能量提取的 timescale 是多少？与 Ibc 型和 II 型前体星中超新星激波传播的 timescale 相比如何？
• RQ4 原磁星风在多大程度上能改变超新星遗迹的核合成产量——特别是 56Ni ——并可否解释超能量事件？
• RQ5 像仙后座 A 这类超新星遗迹中观测到的不对称性是否可由原磁星驱动的风解释？是否存在此类遗迹与磁星相关的证据？

主要发现

• 从毫秒级原磁星中提取约 10^51 erg 旋转能量的 timescale 与 Ibc 型超新星中激波传播 timescale 相当或更短，使能量能有效耦合至喷射物。
• 在 σ < 1 阶段，环向应力将能量通量引导至自转轴方向，形成预处理的、非对称的、拉长的空腔，可对后续相对论性风实现准直。
• 相对论性庞加莱通量主导风（阶段 5）进入预处理环境，可能自然导致喷流状准直，而无需精细调节的初始条件。
• 对于典型参数，原磁星风可提取足够能量以增强 56Ni 产量，可能解释 SN 1998bw 和 SN 2003dh 等超能量超新星中推断出的高 56Ni 质量。
• 仙后座 A 超新星遗迹表现出喷流/反喷流形态及核合成不对称性，与原磁星起源一致，其中心 X 射线源与异常 X 射线脉冲星相符。
• 该模型表明，原磁星风可能显著改变核合成产物的角分布，尤其在非对称超新星遗迹中。