[论文解读] Collapsars, Gamma-Ray Bursts, and Supernovae

S. E. Woosley, Andrew MacFadyen+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文提出星暴模型作为统一框架，将大质量旋转恒星形成黑洞的过程与伽马射线暴（GRBs）及超新星联系起来。该模型解释称，大质量旋转恒星通过吸积和回落形成黑洞后，其快速吸积可驱动磁流体动力学（MHD）喷流，产生具有不同能量和持续时间的伽马射线暴，而SN 1998bw可能代表一种准直性较弱的喷流事件。

ABSTRACT

A diverse range of phenomena is possible when a black hole experiences very rapid accretion from a disk due to the incomplete explosion of a massive presupernova star endowed with rotation. In the most extreme case, the outgoing shock fails promptly in a rotating helium star, a black hole and an accretion disk form, and a strong gamma-ray burst (GRB) results. However, there may also be more frequently realized cases where the black hole forms after a delay of from several tens of seconds to several hours as approximately 0.1 to 5 solar masses falls back into the collapsed remnant following a mildly successful supernova explosion. There, the same MHD mechanisms frequently invoked to produce GRBs would also produce jets in stars already in the process of exploding. The presupernova star could be a Wolf-Rayet star or a red or blue supergiant. Depending upon its initial pressure, the collimation of the jet may also vary since ``hot'' jets will tend to diverge and share their energy with the rest of the star. From these situations, one expects diverse outcomes ranging from GRBs with a large range of energies and durations, to asymmetric, energetic supernovae with weak GRBs. SN 1998bw may have been the explosion of a star in which fall back produced a black hole and a less collimated jet than in the case of prompt black hole formation.

研究动机与目标

• 通过大质量旋转恒星坍缩形成具有吸积盘的黑洞，解释伽马射线暴（GRBs）的起源。
• 在单一物理框架内调和伽马射线暴特性（能量、持续时间、准直性）的多样性。
• 将伽马射线暴现象与超新星爆发联系起来，特别是在回落延迟黑洞形成的情况下。
• 探讨喷流准直性如何随前身星类型和内部压强变化，影响伽马射线暴的可观测特征。
• 将SN 1998bw解释为由于延迟黑洞形成导致喷流准直性不足的喷流型超新星的可能观测实例。

提出的方法

• 通过包含回落和吸积盘形成的流体动力学模拟，建模旋转大质量恒星（沃尔夫-拉叶星、红/蓝超巨星）的坍缩。
• 应用磁流体动力学（MHD）机制，模拟新形成黑洞周围吸积盘产生的喷流。
• 分析初始恒星压强和旋转对喷流准直性和能量分布的影响。
• 比较黑洞形成时间不同（立即形成，<1秒；或通过回落延迟形成，数十秒至数小时）的模拟结果。
• 利用数值模拟评估喷流在恒星包层中的传播及其对可观测特征的影响。
• 将理论预测与观测数据关联，特别是SN 1998bw及其相关伽马射线暴。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大质量旋转恒星坍缩形成黑洞并发生吸积的背景下，哪些物理条件导致伽马射线暴的形成？
• RQ2 黑洞形成时间（立即形成 vs. 通过回落延迟形成）如何影响喷流特性与伽马射线暴特征？
• RQ3 决定坍缩恒星中相对论喷流准直性的因素是什么？其如何随前身星类型和内部压强变化？
• RQ4 通过前身星质量、旋转速度和回落动力学的差异，能否解释观测到的伽马射线暴在能量和持续时间上的多样性？
• RQ5 在多大程度上可将SN 1998bw解释为一种由于延迟黑洞形成导致喷流准直性不足的喷流驱动型超新星的原型？

主要发现

• 在旋转氦星中立即形成黑洞，可通过吸积盘驱动的MHD喷流产生强烈且高度准直的伽马射线暴。
• 即使黑洞形成延迟（核心坍缩后数十秒至数小时，回落质量为0.1至5倍太阳质量），仍可通过相同的MHD机制产生喷流。
• 喷流准直性取决于前身星的内部压强：在密度较低、压强较高的区域形成的“热”喷流趋于发散，并与恒星共享能量。
• 该模型预测了多种结果，从高能短时伽马射线暴到不对称、高能超新星伴弱或准直性较差的伽马射线暴。
• SN 1998bw被解释为一种可能的喷流型超新星事件，其特征为黑洞形成延迟且喷流准直性弱于立即坍缩的星暴情形。
• 该模型为大质量旋转恒星中伽马射线暴、超新星与黑洞形成之间的关联提供了统一解释。