[论文解读] Magnetically powered prompt radiation and flow acceleration in GRB

H. C. Spruit, G. Drenkhahn|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2003

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 6

一句话总结

本文提出，伽马射线暴（GRB）的喷流爆发发射以及极端洛伦兹因子加速，是由庞加莱通量主导喷流中通过磁重联的磁能耗散所驱动的。该模型解释了当耗散发生在光球层之外时，非热辐射的高效产生以及喷流的加速，预测在 Γ ≈ 100 时发生从X射线闪光到GRB的转变。

ABSTRACT

The physics of GRB powered by a magnetic energy flux is reviewed. Magnetic fields are natural for transmitting the energy from the central compact object to the small amount of baryons required for a GRB. When dissipation of the flux of magnetic energy by reconnection inside the flow is taken into account, the magnetic model assumes several more convincing properties. For baryon loading typical of observed GRB, most of the dissipation takes place just outside photosphere, so that prompt emission is produced efficiently, and the magnetic field strength in this region is high, resulting in efficient synchrotron emission. Remarkably, the dissipation also causes very efficient acceleration of the bulk flow. This effect is illustrated with a classical hydrodynamic equivalent. In this context, the distinction between the flux of magnetic energy $cB^2/8π$ and the Poynting flux $cB^2/4π$ is important, and an interpretation of the Poynting flux as a `magnetic enthalpy flux' illuminating. Numerical and analytical results for flow acceleration and the relative contribution of photospheric (thermal) and nonthermal emission as functions of the asymptotic bulk Lorentz factor are given. The transition between X-ray flashes and true GRB is predicted at $Γ\approx 100$.

研究动机与目标

• 解决标准火球模型中动能耗散在产生非热γ射线爆发发射时效率低下的问题。
• 探讨来自旋转致密天体的磁能通量是否比动能更高效地驱动GRB。
• 通过磁重联和庞加莱通量耗散，解释GRB中观测到的高洛伦兹因子和非热谱。
• 基于重子加载和渐近洛伦兹因子，预测X射线闪光与真实GRB之间的转变。
• 证明磁能耗散自然发生在光球层之外，从而实现高效的同步辐射和喷流加速。

提出的方法

• 将GRB喷流建模为庞加莱通量主导的磁化等离子体，能量通过庞加莱通量 $ cB^2/4\pi $ 传输，解释为‘磁焓通量’。
• 使用解析和数值解法追踪磁重联引起的能量耗散，假设重联速率为 $ \tilde{\rho} $，以确定耗散半径 $ r_{\text{diss}} $。
• 利用光学厚度 $ \kappa $ 和能量通量计算光球层半径 $ r_{\text{phot}} $，其中 $ r_{\text{phot}} \propto \dot{E} \kappa / (\Gamma^3 c^3) $，以定位耗散相对于光球层的位置。
• 推导临界洛伦兹因子 $ \Gamma_{\text{c}} \approx 100 \, (\epsilon_{-1} \Omega_4 \dot{E}_{50})^{1/5} $，其中 $ \epsilon $ 为重联效率，$ \Omega $ 为角速度，$ \dot{E} $ 为能量光度。
• 比较作为 $ \Gamma_{\infty} $（渐近洛伦兹因子）函数的热（光球层）辐射与非热（耗散磁能）辐射的贡献。
• 评估磁场在加速喷流和产生高效同步辐射方面的作用，原因在于耗散区域具有高强度磁场。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过重联实现的磁能耗散是否能产生高效的非热爆发发射，从而克服内激波效率低下的问题？

主要发现

• 对于典型的GRB参数，磁能耗散主要发生在光球层之外，从而实现高效的非热辐射。
• 该模型预测50%的总GRB能量以爆发发射形式辐射，50%转化为动能，与观测一致。
• X射线闪光向真实GRB的转变发生在渐近洛伦兹因子 $ \Gamma_{\infty} \approx 100 $，与观测估计相符。
• 转变的临界洛伦兹因子 $ \Gamma_{\text{c}} \approx 100 \, (\epsilon_{-1} \Omega_4 \dot{E}_{50})^{1/5} $ 对于不确定参数（如重联效率 $ \epsilon $）的依赖性较弱。
• 耗散区域的高强度磁场导致高效的同步辐射，解释了观测到的非热谱。
• 该模型无需在光学厚区域引入极端动能变化或内激波，即可自然解释高洛伦兹因子和爆发发射的高效性。