[论文解读] Revisiting black hole hyperaccretion in the center of gamma-ray bursts for the lower mass gap

Huimin Qu, Tong Liu|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 84被引用 7

一句话总结

本文研究了伽马射线暴（GRB）中心引擎中黑洞（BH）超吸积是否能解释致密天体质量函数中的低质量间隙（2–5 M⊙）。利用观测的GRB数据，并建模中微子湮灭与Blandford-Znajek（BZ）喷流机制，研究发现，在超过50%的长伽马射线暴（LGRBs）中，中微子驱动的超吸积可使初始质量为3 M⊙的黑洞突破质量间隙，尤其在与超新星无关的情况下；而BZ机制则无效。来自中子星-中子星或中子星-黑洞并合的短伽马射线暴（SGRBs）除非初始黑洞质量接近上限，否则无法逃离质量间隙。

ABSTRACT

The ultrarelativistic jets triggered by neutrino annihilation processes or Blandford-Znajek (BZ) mechanisms in stellar-mass black hole (BH) hyperaccretion systems are generally considered to power gamma-ray bursts (GRBs). Due to the high accretion rate, the central BHs might grow rapidly on a short timescale, providing a new way to understand "the lower mass gap" problem. In this paper, we use the BH hyperaccretion model to investigate BH mass growth based on observational GRB data. The results show that (i) if the initial BH mass is set as $3~M_\odot$, the neutrino annihilation processes are capable of fueling the BHs to escape the lower mass gap for more than half of long-duration GRBs (LGRBs), while the BZ mechanism is inefficient on triggering BH growths for LGRBs; (ii) the mean BH mass growths in the case of LGRBs without observable supernova (SN) association are much larger than these in the case of LGRBs associated with SNe for both mechanisms, which imply that more massive progenitors or lower SN explosion energies prevail throughout the former cases; (iii) for the short-duration GRBs, the mean BH mass growths are satisfied with the mass supply limitation in the scenario of compact object mergers, but the hyperaccretion processes are unable to rescue BHs from the gap in binary neutron star (NS) mergers or the initial BH mass being $3~M_\odot$ after NS-BH mergers.

研究动机与目标

• 探究GRB中心引擎中的黑洞超吸积是否能解决致密天体质量函数中的下限质量间隙问题。
• 评估中微子湮灭与BZ机制在GRB中心引擎活动期间黑洞质量增长中的作用。
• 确定在何种GRB条件（如超新星关联性、持续时间、前身星质量等）下黑洞能够逃离2–5 M⊙的质量间隙。
• 评估GRB超吸积对大质量恒星级黑洞形成所作的贡献。

提出的方法

• 通过能量和角动量守恒（公式(1)–(3)）建模黑洞质量与自旋演化，稳定轨道参数依赖于黑洞自旋a∗。
• 通过公式(4)–(5)引入BZ喷流功率，假设ΩF = ΩH/2，LBZ范围为10^49至10^51 erg s⁻¹。
• 利用公式(6)估算GRB喷流亮度，基于各向同性能量Eγ,iso、动能Ek,iso、红移z及喷流半开角θj。
• 使用观测的GRB样本数据（T90、红移、各向同性能量）约束吸积率与随时间演化的黑洞演化。
• 计算不同GRB亚型中黑洞质量增长的平均值：有/无超新星关联的LGRBs，以及来自NS-NS或NS-BH并合的SGRBs。
• 应用从GRB光曲线推导出的时间依赖吸积率分布，模拟黑洞在中心引擎活跃期的质量增长。

实验结果

研究问题

• RQ1 在长伽马射线暴（LGRBs）中，黑洞超吸积系统内的中微子湮灭是否能将初始质量为3 M⊙的黑洞质量增长至突破下限质量间隙？
• RQ2 LGRBs中是否存在超新星关联，如何影响通过超吸积实现的黑洞质量增长？
• RQ3 Blandford-Znajek（BZ）喷流在LGRBs和短伽马射线暴（SGRBs）中对黑洞质量增长的贡献程度如何？
• RQ4 由致密天体并合（NS-NS或NS-BH）形成的黑洞能否通过超吸积逃离下限质量间隙？在何种初始条件下可以实现？
• RQ5 喷流张角与余晖活动如何影响总黑洞质量增长及逃离质量间隙的能力？

主要发现

• 对于初始质量为3 M⊙的LGRBs黑洞，中微子湮灭可在超过50%的情况下使其质量突破下限质量间隙，尤其在无超新星关联时更为显著。
• 在无超新星关联的LGRBs中，黑洞质量增长显著更高（当a∗,0 = 0.5时，平均增长约5.8 M⊙），远高于有超新星关联的LGRBs（平均增长约2.1 M⊙），表明其前身星质量更大或爆发能量更低。
• Blandford-Znajek机制在LGRBs中对黑洞质量增长的贡献可忽略不计，即使在最优条件下，平均增长也小于0.16 M⊙。
• 对于NS-NS并合产生的SGRBs，超吸积无法使黑洞逃离下限质量间隙，平均增长仅约0.23 M⊙。
• 在NS-BH并合中，仅当初始黑洞质量接近5 M⊙时，黑洞才能逃离质量间隙；否则，增长仍不足。
• 结果为下限估计，因吸积盘喷流会降低中微子辐射亮度与磁场强度，从而削弱吸积功率。