[论文解读] Self-Similarities and Power-laws in the Time-resolved Spectra of GRB 190114C, GRB 130427A, GRB 160509A, and GRB 160625B

Lichen Liang, R. Ruffini+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 12被引用 4

一句话总结

本论文利用费米-GBM和费米-LAT数据，对四个长持续时间伽马射线暴（GRB 130427A、GRB 160509A、GRB 160625B 和 GRB 190114C）应用了先进的时域光谱分析，揭示了超相对论性喷发相（UPE）中存在自相似结构和幂律标度。该研究证实了一种离散的、量子化的辐射过程，其量子能量约为10^37 erg，时间尺度短至10^{-14} s，支持了双中子星系统中黑洞形成过程的统一物理模型（BdHNe I型）。

ABSTRACT

[Shortened] CONTEXT: [...] AIMS: To identify and verify the BdHNe I properties in the additional sources GRB160509A, GRB160625B and GRB1340427A, and compare and contrast the results with the ones of a BdHN II source GRB180728A. We have also identified in all four sources, following the analysis GRB 130427A in the companion paper, the GeV radiation during and following the UPE phase. Also in all the four sources, we describe the spectral properties of their afterglow emission, including the mass estimate of the $ν$NS, following the results presented in the companion paper. METHODS: [...] RESULTS: The results of the spectral analysis have validated the common properties in all BdHNe I: the three Episodes as well as the self-similar structures and the associated power-laws in the UPE phase. The profound similarities of the results have made a significant step forward in the taxonomy of GRBs and in evidencing a standard composition of the BdHN I. This opens the opportunity of a vaster inquire of the astrophysical nature of their components in the population synthesis approach: e.g., the BH formation in all BdHN I occurs due to accretion of the SN ejecta in a tight binary system with a neutron star companion which reaches its critical mass, leading to the formation of the BH. The SN-rise in all five BdHNe are compare and contrasted. CONCLUSIONS: The most far reaching discovery of self-similarities and power-laws here extensively confirmed, thanks also to the conclusions presented in the companion papers, leads to the existence of a discrete quantized repetitive polarized emission, both in the GeV and MeV observed by {\it Fermi}-GBM and {\it Fermi}-LAT, on a timescale as short as $10^{-14}$s. These results open new paths in the discovery of fundamental physical laws.

研究动机与目标

• 验证在GRB 190114C以外的多个BdHNe I源中是否存在三个不同的光谱阶段——超新星上升期、黑洞形成（UPE）和空腔阶段。
• 检验在BdHNe I中，此前仅在GRB 190114C中观测到的UPE相自相似结构与幂律标度是否具有普适性。
• 将BdHNe I与BdHNe II（如GRB 180728A）进行对比，突出超新星上升期能量与双星系统演化过程的差异。
• 基于高信噪比、明亮爆发的时域分析，建立GRB的标准化光谱分类体系。
• 将观测到的光谱特征与基本物理过程联系起来，包括离散的量子化辐射和前超新星核心的旋转能量。

提出的方法

• 在每个GRB的UPE相内，对越来越短的时间段进行迭代的时域光谱拟合。
• 识别出三个不同的光谱阶段：超新星上升期（截止幂律+黑体）、黑洞形成（具有自相似性的UPE）和空腔阶段（无特征谱）。
• 尽管UPE相存在堆积问题，仍对GRB 130427A应用了相同的分析方法。
• 利用费米-GBM和费米-LAT数据，分析所有源的GeV辐射和余晖相。
• 将结果与BdHNe II（GRB 180728A）进行对比，突出超新星上升期能量与轨道演化方面的差异。
• 结合CO核心旋转能量及稳定性极限（E_rot/|W| ≈ 0.14–0.25）的理论模型，解释超新星上升期的能量特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GRB 190114C中识别出的三个光谱阶段（超新星上升期、UPE、空腔）是否也出现在其他BdHNe I源（如GRB 130427A、GRB 160509A和GRB 160625B）中？
• RQ2 在BdHNe I中，UPE相的自相似结构与幂律标度是否具有普适性，还是仅存在于GRB 190114C中？
• RQ3 BdHNe I中超新星上升期的能量与BdHNe II相比在定量上如何？这对前超新星核心旋转速率与双星演化有何启示？
• RQ4 观测到的离散量子化辐射（量子能量约10^37 erg，时间尺度约10^{-14} s）的物理起源是什么？
• RQ5 观测到的光谱特征能否通过紧致双星系统中通过吸积形成黑洞的统一模型得到一致解释？

主要发现

• 在GRB 130427A、GRB 160509A、GRB 160625B和GRB 190114C中，三个光谱阶段——超新星上升期、UPE和空腔阶段——均被一致识别，证实其在BdHNe I中的普适性。
• 在所有四个BdHNe I源中，UPE相的自相似结构与幂律标度均得到确认，表明存在共同的物理机制。
• 观测到离散的量子化辐射过程，其量子能量约为10^37 erg，时间尺度短至10^{-14} s，与先前在相关论文中的报告一致。
• BdHNe I中的超新星上升期具有显著更高的旋转能量（最高达~10^52 erg），且E_rot/|W| ≈ 0.05–0.25，与前超新星核心的高旋转速率一致。
• 所有源的余晖辐射均与超新星爆发形成的νNS（中微子驱动的中子星）反馈一致，通过间接推断证实了超新星的发生。
• BdHNe II中（如GRB 180728A）的超新星上升期能量要低得多（~10^49–10^50 erg），类似于孤立超新星，这是由于双星相互作用较弱且轨道周期较长所致。