[论文解读] On the pair-electromagnetic pulse from an electromagnetic Black Hole surrounded by a Baryonic Remnant

R. Ruffini, J. D. Salmonson+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 29

一句话总结

本文研究了由电磁黑洞（EMBH）中真空极化产生的配对-电磁脉冲（PEM）与周围重子壳层之间的相互作用，结合广义相对论流体动力学与简化的恒定厚度近似方法。研究发现，当重子质量低于戴亚多斯phere能量的1%时，该近似能准确模拟系统，验证了其在天体物理相关伽马射线暴（GRB）场景中的适用性，并推导出10³M⊙ EMBH在不同重子质量下GRB的关键特性，如辐射能量与观测温度。

ABSTRACT

The interaction of an expanding Pair-Electromagnetic pulse (PEM pulse) with a shell of baryonic matter surrounding a Black Hole with electromagnetic structure (EMBH) is analyzed for selected values of the baryonic mass at selected distances well outside the dyadosphere of an EMBH. The dyadosphere, the region in which a super critical field exists for the creation of electron-positron pairs, is here considered in the special case of a Reissner-Nordstrom geometry. The interaction of the PEM pulse with the baryonic matter is described using a simplified model of a slab of constant thickness in the laboratory frame (constant-thickness approximation) as well as performing the integration of the general relativistic hydrodynamical equations. The validation of the constant-thickness approximation, already presented in a previous paper Ruffini, et al.(1999) for a PEM pulse in vacuum, is here generalized to the presence of baryonic matter. It is found that for a baryonic shell of mass-energy less than 1% of the total energy of the dyadosphere, the constant-thickness approximation is in excellent agreement with full general relativistic computations. The approximation breaks down for larger values of the baryonic shell mass, however such cases are of less interest for observed Gamma Ray Bursts (GRBs). On the basis of numerical computations of the slab model for PEM pulses, we describe (i) the properties of relativistic evolution of a PEM pulse colliding with a baryonic shell; (ii) the details of the expected emission energy and observed temperature of the associated GRBs for a given value of the EMBH mass; 10^3 solar masses, and for baryonic mass-energies in the range 10^{-8} to 10^{-2} the total energy of the dyadosphere.

研究动机与目标

• 在伽马射线暴（GRB）形成背景下，建模相对论性PEM脉冲与电磁黑洞（EMBH）周围重子壳层的相互作用。
• 通过完整的广义相对论流体动力学方法，验证恒定厚度近似在PEM脉冲穿过重子物质过程中的有效性。
• 针对质量为10³M⊙的EMBH及不同重子壳层质量，确定碰撞后重子壳层的辐射能量、观测温度与动能。
• 通过识别近似方法成立的参数区间以及所发射GRB能量可探测的区间，评估该模型的天体物理相关性。

提出的方法

• 在实验室参考系中，采用恒定厚度近似建模PEM脉冲与重子壳层的相互作用，假设为固定厚度与均匀密度的平板结构。
• 通过数值积分完整广义相对论流体动力学方程，验证不同重子壳层质量下恒定厚度近似的有效性。
• 采用Christodoulou-Ruffini质量公式与Reissner-Nordström几何结构描述EMBH，并定义戴亚多斯phere（即由于超强电场导致e⁺e⁻对产生发生的区域）。
• 在PEM脉冲与重子壳层发生非弹性碰撞过程中应用能量与动量守恒，利用熵守恒追踪热演化过程。
• 模型计算了在实验室参考系与共动参考系中，离子体的集体洛伦兹因子、内能与温度的演化。
• 基于碰撞后辐射与物质的热平衡化与脱耦过程，估算所产生GRB的峰值能量与持续时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 与完整的广义相对论流体动力学相比，恒定厚度近似在多大程度上准确再现了PEM脉冲与重子壳层相互作用的动力学？
• RQ2 在GRB辐射背景下，恒定厚度近似在多大重子质量范围内仍保持有效？
• RQ3 对于10³M⊙ EMBH，GRB的辐射能量与观测温度如何随重子壳层质量变化？
• RQ4 在PEM脉冲与重子物质非弹性碰撞过程中，熵与热再加热起何作用？
• RQ5 碰撞后脱耦过程中重子物质中保留的动能如何与GRB的可观测特性相关联？

主要发现

• 当重子壳层质量低于戴亚多斯phere总能量的1%时，恒定厚度近似与完整的广义相对论计算结果高度一致。
• 当重子壳层质量超过戴亚多斯phere能量的1%时，近似失效，但此类情况因GRB辐射能量较低，天体物理意义有限。
• 对于质量为10³M⊙的EMBH，ξ = 0.1，且重子壳层质量能量B = 10⁻²倍戴亚多斯phere能量时，模型预测可探测到GRB，具有特定的辐射能量与观测温度。
• 碰撞导致等离子体因非弹性能量传递而显著再加热，熵增加，并在透明半径附近引起T³V/T₀³V₀比值的跃迁。
• 碰撞后，共动参考系温度与实验室参考系温度均随系统膨胀而下降，e⁺e⁻对与光子的总能量保持守恒。
• 脱耦后残留在重子物质中的动能是决定最终GRB亮度与持续时间的关键因素，对今后在星际介质中对GRB余晖的建模具有重要意义。