[论文解读] On the role of a cavity in the hypernova ejecta of GRB 190114C

R. Ruffini, Julio David Melon Fuksman+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 16被引用 7

一句话总结

本文提出，在双星驱动超新星爆发（BdHN I）模型中，GRB 190114C 的第二次发射峰源于电子-正电子-光子等离子体在黑洞形成后于超新星喷出物中形成的低密度空腔壁上的反射。流体动力学模拟与解析建模证实，反射等离子体产生了一段无特征的发射尾部，与 11–20 秒的源静止系时间区间一致，此时重子密度降至 10⁻¹⁴ g/cm³，从而通过内引擎机制实现高能发射。

ABSTRACT

Within the binary-driven hypernova I (BdHN I) scenario, the gamma-ray burst GRB190114C originates in a binary system composed of a massive carbon-oxygen core (CO$_{core}$), and a binary neutron star (NS) companion. As the CO$_{core}$ undergoes a supernova explosion with the creation of a new neutron star ($ν$NS), hypercritical accretion occurs onto the companion binary neutron star until it exceeds the critical mass for gravitational collapse. The formation of a black hole (BH) captures $10^{57}$ baryons by enclosing them within its horizon, and thus a cavity of approximately $10^{11}$ cm is formed around it with initial density $10^{-7}$ g/cm$^3$. A further depletion of baryons in the cavity originates from the expansion of the electron-positron-photon ($e^{+}e^{-}γ$) plasma formed at the collapse, reaching a density of $10^{-14}$ g/cm$^3$ by the end of the interaction. It is demonstrated here using an analytical model complemented by a hydrodynamical numerical simulation that part of the $e^{+}e^{-}γ$ plasma is reflected off the walls of the cavity. The consequent outflow and its observed properties are shown to coincide with the featureless emission occurring in a time interval of duration $t_{rf}$, measured in the rest frame of the source, between $11$ and $20$ s of the GBM observation. Moreover, similar features of the GRB light curve were previously observed in GRB 090926A and GRB 130427A, all belonging to the BdHN I class. This interpretation supports the general conceptual framework presented in Ruffini et al. (2019) and guarantees that a low baryon density is reached in the cavity, a necessary condition for the operation of the "inner engine" of the GRB presented in an accompanying article (Ruffini & Moradi 2019).

研究动机与目标

• 解释在源静止系中 11–20 秒之间观测到的 GRB 190114C 第二次发射峰的起源。
• 证明该时间区间内观测到的无特征发射源于电子-正电子-光子等离子体在超新星喷出物中低密度空腔壁上的反射。
• 通过展示空腔的形成与演化创造了‘内引擎’产生 TeV 辐射所必需的条件，验证 BdHN I 情景。
• 将该解释扩展至其他具有相似光曲线结构的 GRB（如 090926A、130427A），支持 BdHN I 事件中普遍存在反射机制。
• 通过二维相对论流体动力学模拟确认，所提出的模型在能量、时间与光谱演化方面与观测一致。

提出的方法

• 基于各向同性爆发和部分等离子体反射的假设，建立等离子体与空腔壁相互作用的解析模型。
• 使用 PLUTO 代码进行二维相对论流体动力学模拟，以模拟等离子体动力学与空腔壁的相互作用。
• 采用光滑粒子流体动力学（SPH）模拟黑洞形成前超新星喷出物中空腔的形成，基于先前的模拟结果（Becerra 等，2016）。
• 应用光谱建模，将反射发射的时间积分谱与时间分辨谱与观测数据进行比较，采用截断幂律拟合，峰值能量 Ep ≈ 252 keV。
• 分析空腔中重子密度的演化，显示由于等离子体膨胀与喷射，密度从 10⁻⁷ g/cm³ 降低至 10⁻¹⁴ g/cm³。
• 将 GRB 190114C 中第 3 次爆发的到达时间与光谱特征，与 GRB 090926A 和 GRB 130427A 的特征进行比较，以建立 BdHN I 事件中的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在源静止系中 11 至 20 秒之间观测到的无特征发射尾部，其成因是什么？
• RQ2 在超新星喷出物中形成的低密度空腔如何影响黑洞形成后电子-正电子-光子等离子体的动力学与可观测性？
• RQ3 通过空腔壁反射机制，能否再现第二次发射峰的观测光谱与时间特性？
• RQ4 该反射机制在其他 BdHN I 型 GRB（如 090926A 和 130427A）中具有多大程度的普适性？
• RQ5 重子耗竭在实现‘内引擎’运行（负责产生高能（TeV）辐射）中起何种作用？

主要发现

• GRB 190114C 的第二次发射峰（在源静止系中 11–20 秒之间）是由黑洞形成后在超新星喷出物中形成的低密度空腔壁对电子-正电子-光子等离子体的反射所致。
• 空腔初始密度约为 10⁻⁷ g/cm³，但因等离子体膨胀而耗竭至约 10⁻¹⁴ g/cm³，形成低重子环境，使内引擎得以运行。
• 使用 PLUTO 的二维相对论流体动力学模拟证实，反射等离子体产生的发射在时间与能量上与 GRB 190114C 的观测 Episode 3 一致。
• Episode 3 的时间积分谱具有软幂律指数 α = -1.6，峰值能量 Ep ≈ 252 keV，与冷却空腔壁的热辐射一致。
• 观测到光谱向软化演化，与空腔壁膨胀冷却的预期相符。
• 其他 GRB（如 090926A 的 t_rf ≈ 5 s，130427A 的 t_rf ≈ 11 s）也表现出类似光曲线结构，具有延迟的无特征发射，支持该反射机制在 BdHN I 型 GRB 中普遍存在。