[论文解读] Magnetic Fields and Afterglows of BdHNe: Inferences from GRB 130427A, GRB 160509A, GRB 160625B, GRB 180728A and GRB 190114C

J. A. Rueda, R. Ruffini+3 more|RUNG|May 27, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 97被引用 6

一句话总结

本文提出，在双星驱动型超新星（BdHNe）中，余晖辐射由新生中子星（νNS）注入的超相对论性电子产生的同步辐射所驱动，其磁场强度和自旋参数通过GRB 130427A、160509A、160625B、180728A和190114C的多波段光曲线推断得出。早期和晚期余晖阶段的磁场强度（~10¹²–10¹³ G偶极，~10¹⁵ G四极）保持一致，证实了νNS的起源，并支持黑洞视界附近的电动力学‘内引擎’模型，挑战了传统的激波模型。

ABSTRACT

GRB 190114C is the first binary-driven hypernova (BdHN) fully observed from the initial supernova appearance to the final emergence of the optical SN signal. It offers an unprecedented testing ground for the BdHN theory and it is here determined and further extended to additional gamma-ray bursts (GRBs). BdHNe comprise two subclasses of long GRBs with progenitors a binary system composed of a carbon-oxygen star (CO$_ extrm{core}$) and a neutron star (NS) companion. The CO$_ extrm{core}$ explodes as a SN leaving at its center a newborn NS ($ν$NS). The SN ejecta hypercritically accretes both on the $ν$NS and the NS companion. BdHNe I are the tightest binaries where the accretion leads the companion NS to gravitational collapse into a black hole (BH). In BdHN II the accretion onto the NS is lower, so there is no BH formation. We observe the same structure of the afterglow for GRB 190114C and other selected examples of BdHNe I (GRB 130427A, GRB 160509A, GRB 160625B) and for BdHN II (GRB 180728A). In all the cases the explanation of the afterglow is reached via the synchrotron emission powered by the $ν$NS: their magnetic fields structures and their spin are determined. For BdHNe I, we discuss the properties of the magnetic field embedding the newborn BH, inherited from the collapsed NS and amplified during the gravitational collapse process, and surrounded by the SN ejecta.

研究动机与目标

• 利用多波段观测，解释双星驱动型超新星（BdHN）场景中长暴发伽马射线暴（GRBs）的余晖辐射。
• 通过分析余晖光曲线，确定BdHNe中新生中子星（νNS）的磁场结构与自旋参数。
• 检验推断出的νNS参数是否与双星前身星演化和潮汐同步理论预期一致。
• 通过证明余晖由黑洞视界附近的电动力学过程驱动，而非引力激波模型，挑战传统的超相对论性激波模型。
• 通过统一的νNS驱动辐射机制，建立对BdHNe I型（黑洞形成）与BdHNe II型（无黑洞形成）的统一解释。

提出的方法

• 利用早期余晖（t ~ 10²–10⁴ s）的同步辐射模型，分析GRB 130427A、160509A、160625B、180728A和190114C的X射线与光学余晖光曲线。
• 通过假设νNS具有偶极+四极磁场结构，建模晚期余晖（t > 10³–10⁴ s）的脉冲星磁制动辐射。
• 通过拟合余晖光曲线中观测到的幂律衰减，推断νNS的磁场强度与自转周期。
• 利用角动量守恒与双星系统中的潮汐同步关系，从νNS自转周期推断轨道分离距离。
• 将推断出的双星分离距离与Wang et al. 2019b的BdHN前身星数值模拟结果进行比较，以验证模型。
• 应用Wald解求解爱因斯坦-麦克斯韦方程，以模拟黑洞周围磁场构型，包括自转轴方向的磁通量放大效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 双星驱动型超新星中，早期余晖辐射（t ~ 10²–10⁴ s）是否可由νNS注入的电子产生的同步辐射解释？
• RQ2 νNS的磁场结构（偶极、四极）为何？其在余晖各阶段如何演化？
• RQ3 由早期同步辐射推断出的磁场强度是否与由晚期脉冲星磁制动辐射推导出的磁场强度一致？
• RQ4 推断出的νNS自转与磁场参数与双星前身星演化及潮汐同步的理论预期相比如何？
• RQ5 观测到的余晖行为是否支持黑洞视界附近存在电动力学‘内引擎’，而非引力激波模型？

主要发现

• 早期余晖（t ~ 10²–10⁴ s）主要由νNS注入的超相对论性电子产生的同步辐射主导，其磁场分量与νNS的涡旋/纵向磁场一致。
• 晚期余晖（t > 10³–10⁴ s）最适宜由脉冲星磁制动辐射解释，其偶极磁场强度约为~10¹²–10¹³ G，主导的四极分量约为~10¹⁵ G。
• 由早期与晚期余晖阶段推断出的磁场强度高度一致，验证了发射源在不同 timescales 下的νNS起源。
• 推断出的νNS自转周期与双星系统中的潮汐同步一致，推导出的轨道分离距离与Wang et al. 2019b的BdHN前身星数值模拟结果相符。
• 黑洞自转轴方向的磁场起源于坍缩中子星伴星的磁层，磁力线通过磁通量守恒引导吸积并实现放大。
• GRB的‘内引擎’被证明是电动力学驱动，而非引力驱动，黑洞的磁场继承并放大自前身星中子星，支持喷发辐射的非激波起源。