[论文解读] Black Stars and Gamma Ray Bursts

Tanmay Vachaspati|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2007

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 9

一句话总结

本文提出，伽马射线暴（GRBs）可能源自‘黑洞星’——即因引力红移而看起来在史瓦西半径附近冻结的物体——之间的碰撞，而非真正的黑洞。该模型表明，此类碰撞会产生强烈的、短暂的伽马射线辐射，其前导信号为类似于黑洞并合的引力波，且能量估算与观测到的GRBs一致。

ABSTRACT

Stars that are collapsing toward forming a black hole but are frozen near the Schwarzschild horizon are termed "black stars". Collisions of black stars, in contrast to black hole collisions, may be sources of gamma ray bursts, whose basic parameters are estimated quite simply and are found to be consistent with observed gamma ray bursts. Black star gamma ray bursts should be preceded by gravitational wave emission similar to that from the coalescence of black holes.

研究动机与目标

• 探讨黑洞星——即在事件视界附近冻结的类经典坍缩物体——是否可作为伽马射线暴的物理解释来源。
• 通过电磁信号，特别是伽马射线发射，区分黑洞星并合与黑洞并合。
• 利用经典广义相对论估算黑洞星并合产生的伽马射线辐射的能量、亮度和 timescale。
• 研究黑洞星并合过程中可探测的引力波前导信号，并分析其与黑洞并合信号的相似性。

提出的方法

• 将黑洞星建模为致密、黑暗的物体，由于辐射的无限红移而保持在史瓦西半径附近可见，从而避免真正事件视界的形成。
• 使用 $ E \sim Mv^2 $ 估算碰撞黑洞星的动能，假设完全非弹性碰撞并全部转化为辐射。
• 根据光渡越时间 $ R/c \sim 10^{-5} \, \text{s} $，计算出辐射功率为 $ P \sim 10^{53} \, \text{erg/s} $，与质量无关。
• 估算每个质子的光子能量为 $ E_\gamma \sim m_p v^2 \sim 1 \, \text{keV} \cdot (v/300 \, \text{km/s})^2 $，从而得出典型的伽马射线能量量级。
• 推导出一个与质量或速度无关的模型不变量：$ P/E_\gamma \approx 10^{62} \, \text{sec}^{-1} $。
• 将该情景与黑洞并合进行比较，指出只有黑洞星并合才会在产生引力波的同时发射电磁辐射（伽马射线）

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞星——即在史瓦西半径附近冻结的物体——之间的碰撞是否能产生与观测一致的伽马射线暴？
• RQ2 黑洞星并合的电磁辐射与黑洞并合相比，在能量、timescale 和光谱特征方面有何异同？
• RQ3 黑洞星并合前预期的引力波信号是什么样的？它与黑洞并合信号有何不同？
• RQ4 所提出的黑洞星并合模型能否定量匹配观测到的伽马射线暴的亮度和持续时间？
• RQ5 在可探测的电磁波和引力波信号方面，黑洞星并合与原初黑洞并合有何区别？

主要发现

• 黑洞星并合辐射的总能量估算为 $ E \sim 10^{48} \left( \frac{M}{M_\odot} \right) \left( \frac{v}{300 \, \text{km/s}} \right)^2 \, \text{ergs} $，与观测到的伽马射线暴能量一致。
• 辐射功率为 $ P \sim 10^{53} \, \text{erg/s} $，由于光渡越时间 $ R/c \sim 10^{-5} \, \text{s} $，与黑洞星质量无关。
• 特征光子能量为 $ E_\gamma \sim 1 \, \text{keV} \cdot (v/300 \, \text{km/s})^2 $，表明在典型速度下，典型的伽马射线能量量级约为1 keV。
• 比值 $ P/E_\gamma \approx 10^{62} \, \text{sec}^{-1} $ 是该模型的普遍不变量，与质量或速度无关。
• 黑洞星并合产生的伽马射线暴应由类似黑洞并合波形的引力波前导信号伴随，但具有电磁对应体。
• LIGO 和 Fermi 观测到的引力波事件随后出现的伽马射线暴，其亮度 $ \sim 10^{49} \, \text{erg/s} $ 且延迟 $ \sim 0.4 \, \text{s} $，与黑洞星情景定性一致。