[论文解读] Gamma-Ray Bursts and the Origin of Chondrules and Planets

B. McBreen, L. Hanlon|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 9

一句话总结

本文提出，来自附近大质量恒星的伽马射线暴（GRBs）通过X射线和伽马射线吸收，主要由铁吸收，在数秒内使太阳星云中的尘埃团块熔融成钙长辉石球粒。形成的钙长辉石球粒缓慢冷却，形成陨石并为类地行星和巨行星核心的形成做出贡献，此类事件在100 pc范围内发生的概率约为0.1%，可能解释了我们太阳系中钙长辉石球粒及行星构建模块的起源。

ABSTRACT

The effect of a nearby $γ$-ray burst (GRB) on the preplanetary solar nebula is considered. The intense irradiation by x-rays and $γ$-rays would have caused dust balls to become molten in a matter of seconds, cooling more slowly to form chondrules. The role of iron is crucial in this process because it was the major absorber of x-rays between 7 keV and 30 keV. In this scenario, chondrules formed at the same time across the side of the nebula toward the GRB source. At least 27 Earth masses (M$\oplus$) could have been produced in the nebula with well mixed gas and dust of solar composition, increasing to 100 M$\oplus$ with only moderate depletion of nebular gases. The chondrules combined to form meteorites and possibly the terrestrial planets, the cores of the giant planets and chondrules in comets. Assuming GRBs are linked to massive stars like supernovae, the probability of a GRB within 100 pc which could form chondrules is about 10$^{-3}$ and the same small probability may apply to other planetary systems being akin to our solar system. A GRB in a nearby galaxy will reveal protoplanetary disks by delayed transient infrared emission from the chondrule formation process. We suggest that a GRB was first detected about 4.5 Gyrs ago and its signature was written in stone and preserved by the chondrules in meteorites.

研究动机与目标

• 调查伽马射线暴（GRBs）是否能提供早期太阳星云中钙长辉石球粒形成所需的能量。
• 研究星云中尘埃团块在强烈X射线和伽马射线辐照下熔融并重新固化的物理条件。
• 评估在早期太阳系100 pc范围内发生伽马射线暴的可能性及其对钙长辉石球粒形成和行星系统结构的影响。
• 探索通过原行星盘中延迟的红外辐射探测此类事件的可能性。

提出的方法

• 模拟伽马射线暴辐射（X射线和伽马射线）与太阳星云中尘埃团块的相互作用，重点关注能量沉积与热处理过程。
• 以铁为主要X射线吸收体（能量范围7 keV至30 keV），计算尘球的加热速率与熔融 timescale。
• 模拟钙长辉石球粒前体的热演化过程，假设在数秒内快速加热，随后缓慢冷却形成固态钙长辉石球粒。
• 估算在有无气体耗尽的条件下，太阳成分星云中可能形成的钙长辉石球粒总质量。
• 基于伽马射线暴发生率与恒星演化模型，评估早期太阳系100 pc范围内发生伽马射线暴的概率。
• 预测原行星盘中钙长辉石球粒形成引起的延迟红外辐射，作为过去伽马射线暴事件的可探测特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 附近的伽马射线暴是否能提供足够的能量，使早期太阳星云中的尘埃团块熔融成钙长辉石球粒？
• RQ2 铁在X射线吸收及星云尘埃后续热处理过程中起什么作用？
• RQ3 在太阳成分星云中，伽马射线暴辐照下可形成多少质量的钙长辉石球粒？气体耗尽可能如何影响这一产量？
• RQ4 在早期太阳系100 pc范围内发生伽马射线暴并足以触发钙长辉石球粒形成的概率是多少？
• RQ5 原行星盘中钙长辉石球粒形成引起的延迟红外辐射能否作为过去伽马射线暴事件的可探测特征？

主要发现

• 附近的伽马射线暴可通过强烈的X射线和伽马射线辐照，在数秒内将尘埃团块加热至熔融温度，主要吸收能量来自7–30 keV范围内的铁。
• 钙长辉石球粒在面向伽马射线暴源的星云一侧同时形成，与钙长辉石球粒中观察到的同位素均一性一致。
• 在太阳成分星云中，至少可形成27个地球质量的钙长辉石球粒，若发生中等程度气体耗尽，该质量可增至100个地球质量。
• 在早期太阳系100 pc范围内发生足以形成钙长辉石球粒的伽马射线暴的概率约为10−3，即0.1%。
• 原行星盘中延迟的瞬态红外辐射可能揭示过去的伽马射线暴事件，为钙长辉石球粒形成提供可探测的特征。
• 作者推测约45亿年前发生了一次伽马射线暴，其特征被保留在陨石中发现的钙长辉石球粒中。