[论文解读] Internal shock model for Microquasars

Christian Kaiser, R. Sunyaev+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2000

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 6

一句话总结

本文提出了一种微类星体的连续内部激波特模型，其中相对论性粒子被沿准连续喷流传播的激波特加速，产生同步辐射，从而解释了平坦的射电光变曲线和逐渐变陡的谱。该模型表明，能量供应速率显著低于离散等离子体团模型，使观测结果与较低中心引擎功率需求相一致。

ABSTRACT

We present a model for the radio outbursts of microquasars based on the assumption of quasi-continuous jet ejection. The jets are `lit up' by shock fronts traveling along the jets during outbursts. The observed comparatively flat decay light curves combined with gradually steepening spectral slopes are explained by a superposition of the radiation of the aging relativistic particle population left behind by the shocks. This scenario is the low energy, time-resolved equivalent to the internal shock model for GRBs. We show that this model predicts energy contents of the radiating plasma similar to the plasmon model. At the same time, the jet model relaxes the severe requirements on the central source in terms of the rate at which this energy must be supplied to the jet. Observations of `mini-bursts' with flat spectral slopes and of infrared emission far from the source centre suggest two different states of jet ejections: (i) A `mini-burst' mode with relatively stable jet production and weak radio emission with flat spectra and (ii) an outburst mode with strong variations in the jet bulk velocities coupled with strong radio emission with steeper spectra. We also show that the continuous jets in microquasars should terminate in strong shocks and possibly inflate radio lobes similar to extragalactic jet sources. Finally, we investigate the possibility of testing the predictions of this model with resolved radio observations.

研究动机与目标

• 通过连续喷流模型而非离散等离子体团喷发，解释微类星体中观测到的射电爆发，特别是平坦衰减光变曲线和谱演化特征。
• 解决等离子体团模型的局限性，该模型要求不切实际的高能量供应速率，且无法解释柔和的谱变陡现象。
• 将微类星体的观测特性与伽马射线暴中使用的内部激波特模型相协调，适应于低能、时域分辨的喷流活动。
• 研究连续喷流对喷流终止、激波特形成以及潜在射电瓣膨胀（类似河外源）的影响。
• 提出观测检验方法，包括空间分辨的多频射电观测和宁静期核心结构测量。

提出的方法

• 将伽马射线暴中的内部激波特模型适配至微类星体，假设激波特形成于不同速度喷流壳层的界面处。
• 模拟在内部激波特处加速的相对论性电子产生的同步辐射，能量损失和老化效应在辐射谱中予以考虑。
• 通过不同年龄的相对论性粒子群体发射的叠加，解释爆发期间观测到的逐渐谱变陡现象。
• 将该模型应用于 GRS 1915+105 在 1994 年 3 月的爆发，通过恒定加速率后接指数衰减的拟合，再现光变曲线和谱演化。
• 考虑喷流与星际介质的相互作用，预测存在强烈的终端激波特，并可能使低密度射电瓣膨胀。
• 提出，若微类星体喷流中发生类似 SS433 中的热不稳定性，则可能发射多普勒展宽的 X 射线铁线和 H-alpha 线。

实验结果

研究问题

• RQ1 微类星体射电爆发的平坦衰减光变曲线和逐渐变陡的谱是否可用连续喷流模型中的内部激波特而非离散等离子体团喷发来解释？
• RQ2 与等离子体团模型相比，此类连续喷流模型的能量供应需求如何？是否减轻了对中心引擎的负担？
• RQ3 不同的喷流产生模式——稳定‘小爆发’与可变爆发——如何影响谱形和粒子加速效率？
• RQ4 远离喷流核心的红外与射电辐射是否可由连续喷流传播和激波特加热来解释？
• RQ5 哪些观测特征，如分辨的喷流结构或延伸发射，可将连续喷流模型与离散等离子体团模型区分开？

主要发现

• 内部激波特模型将微类星体爆发的平坦衰减光变曲线解释为移动激波特留下的不同年龄相对论性粒子的同步辐射叠加。
• 谱的逐渐变陡可自然地由相对论性粒子群体的老化解释，高能粒子随时间损失能量。
• 该模型仅需近似恒定的粒子加速率后接指数衰减，与伽马射线暴中类似的双壳层内部激波特情景一致。
• 辐射等离子体的能量需求与等离子体团模型相当，但中心引擎需供应的能量速率显著降低，因为大部分能量储存在连续喷流中。
• 对具有平坦谱的小爆发及远离核心的红外辐射的观测表明存在两种不同的喷流模式：弱激波特的稳定小爆发与强激波特的可变爆发。
• 该模型预测连续喷流在强终端激波特处终止，可能像 FRII 型射电星系一样膨胀形成射电瓣，若喷流更老或发生重新聚焦，则此类特征可能在 GRS 1915+105 等源中被探测到。