[论文解读] On the Pair Electromagnetic Pulse of a Black Hole with Electromagnetic Structure

R. Ruffini, J. D. Salmonson+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 1999

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 3被引用 25

一句话总结

该论文提出，电荷质量比为0.1的电磁黑洞（EMBH）可通过真空极化产生伽马射线暴，生成相对论性电子-正电子对物质等离子体（PEM脉冲）。通过广义相对论流体动力学模拟，表明该PEM脉冲在实验室参考系中以恒定厚度膨胀，达到高达6,000的洛伦兹因子，并发射峰值位于0.1–4 MeV范围的光子谱，总能量为10⁵²–10⁵⁴ erg，与观测到的伽马射线暴一致。

ABSTRACT

We study the relativistically expanding electron-positron pair plasma formed by the process of vacuum polarization around an electromagnetic black hole (EMBH). Such processes can occur for EMBH's with mass all the way up to $6\cdot 10^5M_\odot$. Beginning with a idealized model of a Reissner-Nordstrom EMBH with charge to mass ratio $ξ=0.1$, numerical hydrodynamic calculations are made to model the expansion of the pair-electromagnetic pulse (PEM pulse) to the point that the system is transparent to photons. Three idealized special relativistic models have been compared and contrasted with the results of the numerically integrated general relativistic hydrodynamic equations. One of the three models has been validated: a PEM pulse of constant thickness in the laboratory frame is shown to be in excellent agreement with results of the general relativistic hydrodynamic code. It is remarkable that this precise model, starting from the fundamental parameters of the EMBH, leads uniquely to the explicit evaluation of the parameters of the PEM pulse, including the energy spectrum and the astrophysically unprecedented large Lorentz factors (up to $6\cdot 10^3$ for a $10^3 M_{\odot}$ EMBH). The observed photon energy at the peak of the photon spectrum at the moment of photon decoupling is shown to range from 0.1 MeV to 4 MeV as a function of the EMBH mass. Correspondingly the total energy in photons is in the range of $10^{52}$ to $10^{54}$ ergs, consistent with observed gamma-ray bursts. In these computations we neglect the presence of baryonic matter which will be the subject of forthcoming publications.

研究动机与目标

• 模拟由电磁黑洞（EMBH）周围真空极化产生的对物质-电磁脉冲（PEM脉冲）的时间演化过程。
• 通过广义相对论流体动力学模拟验证简化相对论模型中实验室参考系下恒定厚度PEM脉冲的可靠性。
• 确定所辐射出的可观测特性，包括峰值光子能量、总能量和暴发持续时间，及其与EMBH质量的关系。
• 评估EMBH模型作为伽马射线暴（GRBs）源在天体物理学上的可行性，包括观测到的能量学和 timescales。

提出的方法

• 数值流体动力学模拟求解了在Reissner-Nordström EMBH（ξ=0.1）周围通过真空极化形成的相对论性电子-正电子等离子体的广义相对论运动方程。
• 对比了三种理想化的特殊相对论模型：(1) 速度与半径成正比，(2) 恒定坐标厚度，(3) 恒定共动厚度。
• 验证表明，实验室参考系中厚度恒定的模型与广义相对论流体动力学代码结果高度一致。
• 通过配对密度的速率方程和费米积分得到的平衡条件，追踪PEM脉冲的演化直至系统对光子变得透明。
• 从辐射解耦时刻出发，计算最终的光子谱和光变曲线，能量谱由最终洛伦兹因子和共动温度推导得出。
• 该模型假设真空条件，忽略重子物质，未来工作将考虑残余重子物质的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒定厚度PEM脉冲模型能否准确再现广义相对论流体动力学模拟中EMBH周围真空极化的动力学？
• RQ2 对于不同质量的EMBH，PEM脉冲产生的洛伦兹因子、光子能量谱和总辐射能量分别是多少？
• RQ3 PEM脉冲所辐射的电磁波是否与观测到的伽马射线暴特征相符，如峰值能量、持续时间和总能量？
• RQ4 光子透明化的转变过程如何发生？配对湮灭加热在最终光谱中起什么作用？
• RQ5 Dyadosphere在通过真空极化从EMBH提取能量过程中具有何种重要意义？

主要发现

• 在实验室参考系中厚度恒定的PEM脉冲模型与广义相对论流体动力学模拟结果高度一致，验证了该模型作为可靠近似方法的有效性。
• 对于质量为10³M⊙的EMBH，洛伦兹因子最高可达6,000，代表了天体物理学中前所未有的相对论性膨胀。
• 在辐射解耦时刻，峰值光子能量范围为0.1 MeV至4 MeV，取决于EMBH质量，与观测到的伽马射线暴的MeV量级光谱相符。
• 光子总能量范围为10⁵²至10⁵⁴ erg，与观测到的长暴伽马射线暴的能量学一致。
• 模型中暴发持续时间（以t₉₀表征）约为毫秒量级，短于典型观测到的GRBs，提示需要重子物质相互作用来延长观测到的持续时间。
• 流体动力学代码计算得到的最终光谱和光变曲线在100–1000 keV范围内呈现光谱峰值，t₉₀与板状模型一致，但略低，这是由于引力和流体动力学效应所致。