[论文解读] Gamma-ray bursts from accreting black holes in neutron star mergers

M. Ruffert, Hans‐Thomas Janka|ArXiv.org|Sep 23, 1998

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 50

一句话总结

本文提出，中子星并合后形成的恒星级黑洞周围的吸积环中，中微子-反中微子湮灭可驱动短伽马射线暴（GRBs），其中在旋转轴方向的低重子密度喷流区，νν̄ 湮灭过程可沉积高达 10^49 erg 的能量，若能量被束缩至天空的 1–10%，则可产生亮度高达 10^52 erg/s 的相对论喷流。

ABSTRACT

By means of three-dimensional hydrodynamic simulations with a Eulerian PPM code we investigate the formation and the properties of the accretion torus around the stellar mass black hole which originates from the merging of two neutron stars. The simulations are performed with four nested cartesian grids which allow for both a good resolution near the central black hole and a large computational volume. They include the use of a physical equation of state as well as the neutrino emission from the hot matter of the torus. The gravity of the black hole is described with a Newtonian and alternatively with a Paczynski-Wiita potential. In a post-processing step, we evaluate our models for the energy deposition by nu-nubar annihilation around the accretion torus. Our models show that nu-nubar annihilation can yield the energy to account for weak, short gamma-ray bursts, if moderate beaming is involved. In fact, the barrier of the dense baryonic gas of the torus suggests that the low-density pair-photon-plasma is beamed as axial jets into a fraction 2 delta Omega/ (4 pi) between 1/100 and 1/10 of the sky, corresponding to opening half-angles of roughly ten to several tens of degrees. Thus gamma-burst energies of 10^{50}--10^{51} erg seem within the reach of our models (if the source is interpreted as radiating isotropically), corresponding to luminosities around 10^{51} erg/s for typical burst durations of 0.1--1 s. Gravitational capture of radiation by the black hole, redshift and ray bending do not reduce the jet energy significantly. Effects associated with the Kerr character of the rapidly rotating black hole, however, could increase the gamma-burst energy considerably, and effects due to magnetic fields might even be required to get the energies for long complex gamma-ray bursts.

研究动机与目标

• 探究中子星并合后形成的吸积黑洞是否可通过中微子-反中微子湮灭驱动短伽马射线暴。
• 利用三维流体动力学模拟，建模由此形成的黑洞周围吸积环的形成与特性。
• 评估 νν̄ 湮灭在吸积环中的能量沉积效率及其对相对论喷流的潜在激发能力。
• 评估束缩、重子加载以及黑洞自旋在实现可观测 GRB 亮度中的作用。

提出的方法

• 采用欧拉型 PPM 格式的三维流体动力学模拟，使用四层嵌套的笛卡尔网格，以解析黑洞附近的高密度区域及大尺度吸积环。
• 引入真实状态方程及高温吸积环物质的中微子发射，引力场采用牛顿势与 Paczyński-Wiita 势进行建模。
• 后处理评估 νν̄ 湮灭的能量沉积速率及其在吸积环与喷流区的空间分布。
• 基于低重子密度喷流区的立体角估算喷流束缩分数 fΩ，并通过 fΩ 缩放能量输出，以估算各向同性等效亮度。
• 评估引力捕获、红移与光线弯曲效应对喷流能量的影响，并考虑克尔黑洞与磁场效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中子星并合后形成的黑洞周围的吸积环中，νν̄ 湮灭是否能产生足够能量以驱动短伽马射线暴？
• RQ2 此类并合事件形成的吸积环的质量、密度、温度及中微子亮度为何？
• RQ3 νν̄ 湮灭在喷流形成喷流区的能量沉积效率如何？有多少能量被引导至相对论喷流中？
• RQ4 为实现观测到的 GRB 亮度，所需的束缩分数为何？重子加载如何影响喷流准直性与洛伦兹因子？
• RQ5 广义相对论效应（如克尔自旋或磁场）如何影响喷流能量与爆发的可观测性？

主要发现

• 吸积环质量为 0.01 至 0.3 个太阳质量，峰值密度约为 10^12 g/cm³，温度约为 10 MeV，对应每核子熵约为 5 k_B。
• 中微子亮度可达 ~10^53 erg/s，νν̄ 湮灭在喷流区的能量沉积速率为 (3–5)×10^50 erg/s。
• 在 0.02–0.1 秒内，最多有 10^49 erg 的能量沉积于喷流区，对应重子质量约 10^{-5} M☉，初始洛伦兹因子 Γ−1 ≈ 1。
• 低重子密度喷流区可实现高效的喷流准直，束缩分数 fΩ ≈ 1/100 至 1/10，对应喷流半开角为 10° 至数10°。
• 各向同性等效亮度可达 10^50–10^51 erg/s，与观测到的短 GRBs 一致，前提是源能量被束缩至天空的 1–10%。
• 引力效应（如红移与光线弯曲）不会显著降低喷流能量，但克尔自旋与磁场可能进一步增强能量输出。