[论文解读] GRB170817A: a giant flare from a jet-less double neutron-star merger?

O. S. Salafia, G. Ghisellini+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

该论文提出，GRB170817A 源于双中子星并合过程中，由超大磁场（$B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$）驱动的各向同性火球，未产生喷流，仅喷射出少量富含中子的物质（$M \sim 3 \times 10^{-6}\, M_\odot$），以相对论性速度膨胀（$\Gamma \sim 5$）。该模型无需引入相对论性喷流即可解释X射线和射电数据，表明此类各向同性X射线成分可能成为探测引力波事件中附近千新星的重要线索。

ABSTRACT

We show that GRB170817A and the subsequent radio and X-ray observations can be interpreted as due to an isotropic fireball loaded with a small amount ($M\sim 3 imes 10^{-6}\,{ m M_\odot}$) of neutron-rich ($Y_{ m e}\sim 0.06$) material, which expands relativistically reaching a Lorentz factor $\Gamma\sim 5$. The physical picture resembles that of a giant flare from a magnetar, and could have been driven by an ultra-strong magnetic field $B\sim 3 imes 10^{16}\,{ m G}$ produced through amplification by magnetohydrodynamic turbulence at the beginning of the merger phase of the progenitor double neutron-star binary. Within such picture, the X-ray and radio data indicate a very tenuous ($n\sim 10^{-5}\,{ m cm^{-3}}$) circum-binary medium, suggesting that the binary was outside the host galaxy in our direction, or that some process has blown a cavity around the binary before the merger. No relativistic jet is needed to explain the observations published in the literature so far, but we show that future radio and X-ray observations can be used to rule out the proposed picture. If our interpretation turns out to be correct, it indicates that not all double neutron-star mergers produce a jet, while most should feature this isotropic, hard X-ray component that can be a powerful guide to the discovery of additional kilonovae associated to relatively nearby gravitational wave events.

研究动机与目标

• 在不引入相对论性喷流的前提下，解释GRB170817A的X射线和射电观测数据。
• 研究观测到的辐射是否可归因于具有相对论性膨胀的各向同性火球。
• 探讨通过磁流体动力学湍流产生的超强磁场（$B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$）在驱动辐射中的作用。
• 评估双星周围的环境，提出稀薄介质（$n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$）与双星位于宿主星系之外或处于先前形成的空腔中一致。
• 提出此类各向同性、硬X射线成分可能在双中子星并合中普遍存在，有助于探测附近的千新星。

提出的方法

• 将辐射建模为由超强磁场（$B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$）驱动、具有相对论性膨胀（$\Gamma \sim 5$）的各向同性火球。
• 利用并合阶段的磁流体动力学湍流来解释磁场被放大至极高值的机制。
• 引入少量富含中子的物质（$M \sim 3 \times 10^{-6}\, M_\odot$）的喷射，其电子分数为 $Y_{\text{e}} \sim 0.06$。
• 通过具有稀薄双星周围介质（$n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$）的模型拟合观测到的X射线和射电光变曲线。
• 将模型预测与现有观测数据进行比较，以检验无喷流、各向同性火球模型的可行性。
• 利用未来的射电和X射线观测作为诊断工具，以排除或确认所提出的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB170817A的X射线和射电辐射是否可在不依赖相对论性喷流的情况下得到解释？
• RQ2 双中子星并合中何种物理机制可产生各向同性、硬X射线成分？
• RQ3 为驱动此类辐射，所需磁场强度是多少？该磁场在并合过程中如何产生？
• RQ4 观测到的双星周围环境（$n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$）对双星位置或先前活动状态有何暗示？
• RQ5 各向同性、硬X射线成分是否普遍存在于双中子星并合中？此类成分能否有助于探测伴随的千新星？

主要发现

• GRB170817A的X射线和射电数据与无需相对论性喷流的各向同性火球模型一致。
• 辐射最合理的解释是：一个携带 $M \sim 3 \times 10^{-6}\, M_\odot$ 富含中子物质（$Y_{\text{e}} \sim 0.06$）的火球，以 $\Gamma \sim 5$ 的相对论性速度膨胀。
• 为驱动该辐射，需要一个由磁流体动力学湍流放大的超强磁场（$B \sim 3 \times 10^{16}\, \text{G}$）。
• 双星周围介质被推断为极为稀薄，密度为 $n \sim 10^{-5}\, \text{cm}^{-3}$，表明双星可能位于宿主星系之外，或处于先前形成的空腔中。
• 该模型预测，此类各向同性、硬X射线成分可能在双中子星并合中普遍存在，为探测附近千新星提供了新途径。
• 未来的射电和X射线观测可用于排除或确认所提出的无喷流、各向同性火球情景。