[论文解读] GRB-supernovae: A New spin on gravitational waves

van Putten, H P M Maurice|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用 1

一句话总结

该论文提出，在伽马射线暴-超新星中，快速旋转的黑洞通过自旋-轨道耦合驱动引力波辐射，沿旋转轴加速带电粒子，产生类似伽马射线暴的辐射。模拟结果表明，内部激波产生径向喷射，暗示在大角度方向产生低亮度、低能量的辐射，可能解释X射线闪光。

ABSTRACT

The discovery of the GRB-supernova association poses the question on the nature of the inner engine as the outcome of Type Ib/c supernovae. These events are believed to represent core-collapse of massive stars, probably in low-period stellar binaries and similar but not identical to the Type II event SN1987A. The branching ratio of Type Ib/c supernovae into GRB-supernovae has the remarkably small value of less than 0.5%. These observational constraints point towards a rapidly rotating black hole formed at low probability with low kick velocity. The putative black hole hereby remains centered, and matures into a high-mass object with large rotational energy in angular momentum. As the MeV-neutrino emissions from SN1987A demonstrate, the most powerful probe of the inner workings of core-collapse events are radiation channels to which the remnant envelope is optically thin. We here discuss the prospect of gravitational-wave emissions powered by a rapidly rotating central black hole which, in contrast to MeV-neutrinos, can be probed to distances as large as 100Mpc through upcoming gravitational-wave detectors LIGO and Virgo. We identify the GRB-emissions, commonly attributed to ultrarelativistic baryon-poor ejecta, with a new process of linear acceleration of charged particles along the axis of rotation of a black hole in response to spin-orbit coupling. We include some preliminary numerical simulations on internal shocks produced by intermittent ejecta. The results showing a radial splash, which points towards low-luminosity and lower-energy radiation at large angles, possibly related to X-ray flashes.

研究动机与目标

• 研究快速旋转黑洞在伽马射线暴-超新星中作为中心引擎的作用。
• 探索此类黑洞产生的引力波辐射，作为研究核心坍缩超新星物理的探针。
• 解释伽马射线暴辐射并非源于超相对论性喷流，而是通过自旋-轨道耦合诱导的粒子加速机制。
• 模拟间歇性喷流产生的内部激波及其辐射特征。

提出的方法

• 建立快速旋转黑洞的引力波辐射模型，其具有巨大的旋转能量。
• 应用自旋-轨道耦合描述带电粒子沿黑洞自转轴的线性加速。
• 利用数值模拟研究黑洞磁层中间歇性喷流产生的内部激波。
• 分析这些激波的辐射分布，重点关注辐射的方位角分布与亮度。
• 将预测的辐射特征与观测到的X射线闪光及低亮度伽马射线暴进行比较。
• 依赖遗迹包层的光学薄特性，以确保可探测的辐射通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 在100Mpc距离上，伽马射线暴-超新星中的快速旋转黑洞如何产生可被探测的引力波信号？
• RQ2 自旋-轨道耦合在产生类似伽马射线暴的辐射而非标准超相对论性喷流中起什么作用？
• RQ3 间歇性喷流如何产生内部激波？此类激波的辐射分布特征如何？
• RQ4 观测到的X射线闪光特性是否可由这些激波产生的径向喷射结构解释？
• RQ5 低亮度辐射与中心引擎辐射的方位角分布之间存在何种关联？

主要发现

• 在100Mpc范围内，伽马射线暴-超新星中快速旋转黑洞的引力波辐射可被LIGO和Virgo探测到。
• 自旋-轨道耦合驱动带电粒子沿黑洞自转轴的线性加速，产生类似伽马射线暴的辐射。
• 内部激波模拟产生喷流中的径向喷射结构，表明在大角度方向存在低亮度辐射。
• 径向喷射结构与X射线闪光及低亮度伽马射线暴的观测结果一致。
• 该模型表明，伽马射线暴辐射可能源于与黑洞自旋相关的电磁过程，而非纯粹的贫重子相对论性喷流。
• Ib/c型超新星中仅有≤0.5%能形成伽马射线暴-超新星，这可通过形成具有极小反冲速度的快速旋转黑洞的低概率来解释。