[论文解读] Fermi GBM signal contemporaneous with GW150914 - an unlikely association

Maxim Lyutikov|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用 19

一句话总结

本文认为，与GW150914黑洞并合事件同时探测到的费米GBM电磁信号极不可能与引力波事件存在物理解释上的关联。它表明，所需的辐射光度约10⁴⁹ erg s⁻¹要求黑洞表面的磁场强度达到约10¹² G，远超天体物理上可接受的量级，因此即使随机巧合概率仅为0.22%，该关联关系也极不可信。

ABSTRACT

We argue that the physical constraints required by the association of the Fermi GBM signal contemporaneous with GW150914 - radiative power of $10^{49} $ erg s$^{-1}$, and corresponding magnetic fields on the black hole of the order of $10^{12}$ Gauss - are astrophysical highly implausible. Combined with the relatively high random probability of coincidence of 0.22 percents, we conclude that the electromagnetic signal is likely unrelated to the BH merger.

研究动机与目标

• 评估将费米GBM信号与GW150914黑洞并合事件相关联的物理可能性。
• 评估观测到的电磁光度（约10⁴⁹ erg s⁻¹）是否能由已知的能量提取机制（如Blandford-Znajek机制或在外磁场中运动）解释。
• 确定产生该光度所需的磁场强度和吸积率是否与并合黑洞周围真实天体物理环境一致。
• 考察等离子体可得性、磁通量保留能力以及喷流准直性在实现高能辐射中的作用。
• 最终判断该信号更可能是随机巧合，还是引力波事件的真实对应体。

提出的方法

• 使用Blandford-Znajek机制估算黑洞自旋产生的电磁光度，推导出L_EM ≈ Φ²Ω²/c，其中Φ为磁通量，Ω为角速度。
• 应用在外磁场中直线运动的模型，估算L_EM ≈ (GM)²B₀²β²/c³，其中β ≈ 1表示相对论性运动。
• 计算黑洞表面所需磁场强度为B_BH ≈ c³ᐟ²√L_EM / (aGM)，当L_EM ~10⁴⁹ erg s⁻¹时，结果约为3×10¹² G。
• 通过L_EM = ηṀc²估算所需吸积率，得出Ṁ ≈ 5×10⁻⁵ M☉ s⁻¹（约1.5×10³ M☉ yr⁻¹），远超星际介质或双星系统中可接受的吸积率。
• 评估其他机制如电荷感应磁场（Q ≈ 5×10¹⁶ C）和发电机放大机制，发现其因磁场强度极端而不成立。
• 考虑INTEGRAL未探测到该信号的观测限制，以及引力波辐射的非各向同性特性，若辐射高度定向则会降低巧合概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的费米GBM信号光度约10⁴⁹ erg s⁻¹，能否由黑洞并合中已知的电磁能量提取机制物理解释？
• RQ2 通过Blandford-Znajek或运动在场机制产生该光度，所需磁场强度和吸积率分别是多少？
• RQ3 所需磁场强度（约10¹² G）是否与孤立或并合黑洞的天体物理预期一致？
• RQ4 该信号是否更可能是随机巧合？0.22%的巧合概率与物理可行性相比如何？
• RQ5 电荷黑洞模型或发电机放大等替代机制是否能合理解释该信号？

主要发现

• 为驱动观测到的光度（约10⁴⁹ erg s⁻¹）所需黑洞表面的磁场强度约为3×10¹² G，远超真实天体物理环境中的预期量级。
• 为维持该光度所需的吸积率约为5×10⁻⁵ M☉ s⁻¹（约1.5×10³ M☉ yr⁻¹），远超星际介质或双星系统中可能的吸积率。
• 该信号不太可能是由Blandford-Znajek或运动在场机制产生的相对论喷流所致，因为所需磁场强度过于离奇，且在并合环境中等离子体约束几乎不可能实现。
• 若通过带电黑洞模型产生该磁场，所需电荷约为5×10¹⁶ C，其在视界附近的电场强度可达约2×10¹² statV/cm，接近施温格临界场强的5%，因此不成立。
• INTEGRAL在100 keV以上具有更大的有效面积却未探测到该信号，进一步降低了其为真实对应体的可能性。
• 鉴于其物理要求极端离奇，且随机巧合概率仅为0.22%，作者最终认为费米GBM信号与GW150914无关。