[论文解读] Hot tori around black holes as sources of gamma ray bursts

M. Jaroszyński|ArXiv.org|Jun 8, 1995

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本文研究了围绕恒星级Kerr黑洞运行的高温高密度环状物作为宇宙伽马射线暴潜在能量来源的可能性。基于中子星并合与失败超新星的模型表明，除非假设极端粘性和熵值，否则并合残余物缺乏足够的能量；而高角动量系统——尤其是接近最大自旋的黑洞（a ≈ 1）——仍为可行候选者，特别是由快速旋转的沃尔夫-拉叶星坍缩形成的系统。

ABSTRACT

We investigate the configurations consisting of massive, dense and hot tori around stellar mass Kerr black holes as possible sources of energy for the gamma ray bursts in cosmological hypothesis of their origin. We limit parameters of our models to the values resulting from neutron stars merger calculations or suggested in the ``failed supernova'' scenario. We investigate models with different angular momentum distributions and different specific entropies. We construct also approximate evolutionary tracks of our systems postulating some viscosity mechanism to be present. We find, that models resulting from a merger of two neutron stars give too little energy to be likely sources of gamma ray bursts. This conclusion remains true despite the artificially high values of specific entropy and viscosity, which we use in our calculations. The promising models should contain a high angular momentum black hole ($a \sim 1$) and/or a torus with almost constant specific angular momentum. The configurations resulting from a collapse of rapidly rotating WR stars are not excluded as sources of the bursts due to a greater freedom in choosing their initial parameters.

研究动机与目标

• 评估高温、大质量环状物围绕恒星级Kerr黑洞是否能提供足够的能量以驱动宇宙伽马射线暴。
• 评估由中子星并合或失败超新星形成的环状物构型作为爆发源的可行性。
• 探讨角动量分布与比熵对能量输出及演化的影响。
• 在假设粘性机制的前提下，对这类系统的演化轨迹进行建模。
• 确定已知天体物理情景下的初始条件是否能产生可观测的伽马射线暴能量。

提出的方法

• 构建具有不同比角动量和熵分布的高温高密度环状物的平衡模型。
• 应用中子星并合模拟和“失败超新星”情景的约束，以设定现实的初始参数。
• 施加粘性机制（例如α-粘性）以模拟角动量输运与环状物演化。
• 计算环状物中可利用的总能量，并与观测到的伽马射线暴能量学进行比较。
• 生成近似演化轨迹，以评估能量随时间的释放情况。
• 运用相对论流体动力学原理，对围绕Kerr黑洞的平衡构型进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 由中子星并合形成的环状物能否产生足够的能量以驱动观测到的伽马射线暴？
• RQ2 比熵与角动量分布的变化如何影响环状物的总能量输出？
• RQ3 黑洞自旋（a ≈ 1）在增强爆发可用能量方面起什么作用？
• RQ4 由快速旋转沃尔夫-拉叶星坍缩形成的构型是否可作为伽马射线暴源？
• RQ5 粘性与角动量输运如何影响环状物的演化与能量释放？

主要发现

• 即使在人为提高熵值与粘性的情况下，中子星并合模型仍无法产生足够的能量以驱动典型的伽马射线暴。
• 具有近似恒定比角动量且黑洞自旋较高的系统（a ≈ 1）表现出显著更高的能量潜力。
• 由快速旋转沃尔夫-拉叶星坍缩形成的构型仍具可行性，因其初始参数自由度更大。
• 能量输出对角动量分布与黑洞自旋极为敏感，最大自旋可使可用能量最大化。
• 引入粘性无法挽救低能量并合模型，表明此类情景存在根本性的能量限制。
• 在模型框架下，围绕接近最大自旋Kerr黑洞的高角动量环状物成为最具前景的能量源候选。