[论文解读] Short gamma-ray bursts from binary neutron star mergers: the time-reversal scenario

R. Ciolfi, Daniel M. Siegel|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文提出一种'时间反转'模型：双中子星并合首先形成一个超质量中子星（SMNS），该SMNS通过自转损耗辐射产生持续时间较长的X射线余晖，随后其延迟坍缩为黑洞，喷出相对论性喷流，产生瞬时的短伽马射线暴（SGRB）。该模型通过反转标准黑洞-吸积盘喷流模型的时间顺序，调和了长X射线余晖与SGRB辐射之间的矛盾。

ABSTRACT

After decades of observations the physical mechanisms that generate short gamma-ray bursts (SGRBs) still remain unclear. Observational evidence provides support to the idea that SGRBs originate from the merger of compact binaries, consisting of two neutron stars (NSs) or a NS and a black hole (BH). Theoretical models and numerical simulations seem to converge to an explanation in which the central engine of SGRBs is given by a spinning BH surrounded by a hot accretion torus. Such a BH-torus system can be formed in compact binary mergers and is able to launch a relativistic jet, which can then produce the SGRB. This basic scenario, however, has recently been challenged by Swift satellite observations, which have revealed long-lasting X-ray afterglows in association with a large fraction of SGRB events. The long durations of these afterglows (from minutes to several hours) cannot be explained by the $\sim ext{s}$ accretion timescale of the torus onto the BH, and, instead, suggest a long-lived NS as the persistent source of radiation. Yet, if the merger results in a massive NS the conditions to generate a relativistic jet and thus the prompt SGRB emission are hardly met. Here we consider an alternative scenario that can reconcile the two aspects and account for both the prompt and the X-ray afterglow emission. Implications for future observations, multi-messenger astronomy and for constraining NS properties are discussed, as well as potential challenges for the model.

研究动机与目标

• 解决标准SGRB模型中，黑洞-吸积盘系统吸积 timescale 极短（通常为秒级）与观测到的X射线余晖持续时间（分钟至小时）之间的观测矛盾。
• 在统一的物理框架下解释瞬时SGRB与长X射线余晖，避免磁星与黑洞-吸积盘模型之间的二元对立。
• 为多信使天文学提供可检验的预测，特别是关联双中子星并合事件中的引力波（GW）与电磁（EM）信号。
• 通过联合引力波与电磁观测，约束中子星状态方程（EOS）与磁场特性。
• 探讨均匀旋转、磁化SMNS在坍缩为黑洞时形成喷流的可行性。

提出的方法

• 该情景假设双中子星并合形成一个由均匀旋转支持的超质量中子星（SMNS），其质量高于非旋转最大质量，但低于均匀旋转最大质量。
• 阶段I：不同旋转的SMNS通过磁力缠绕与中微子过程喷射出富含重子、轻微相对论性的喷流，持续约1秒。
• 阶段II：当差速旋转耗散后，SMNS变为均匀旋转，通过自转损耗辐射发射能量，膨胀形成光子-电子对等离子体星云，驱动激波穿过喷出物，产生持续时间较长的X射线余晖。
• 阶段III：SMNS坍缩为黑洞，形成黑洞-吸积盘系统，喷出相对论性喷流，该喷流穿透星云与喷出物，产生瞬时SGRB。
• 该模型利用SMNS寿命（由自转损耗决定）预测引力波并合峰值与SGRB之间的时间延迟，实现精确的GW-EM对齐。
• 基于SMNS寿命与自转损耗光度，假设为偶极辐射，推导出对中子星质量、自转周期与磁场强度的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否由双中子星并合形成的长寿命超质量中子星（SMNS）的自转损耗辐射解释许多SGRB事件中观测到的长时间X射线余晖？
• RQ2 均匀旋转、磁化的SMNS在坍缩为黑洞时是否可能喷出相对论性喷流，与SGRB产生机制一致？
• RQ3 能否利用引力波辐射峰值与SGRB之间的时间延迟测量SMNS寿命，并约束中子星性质？
• RQ4 通过联合引力波与X射线余晖观测，可对中子星状态方程（EOS）与磁场强度施加何种约束？
• RQ5 该时间反转情景可产生哪些可观测特征，例如SGRB前的X射线余晖或无SGRB的'孤儿'余晖，以区别于标准模型？

主要发现

• 时间反转情景通过反转标准黑洞-吸积盘喷流模型的时间顺序，为瞬时SGRB与长X射线余晖提供了统一解释。
• 该模型预测，双中子星并合的引力波辐射峰值显著早于SGRB，时间延迟等于SMNS自转损耗 timescale。
• 对于典型的SMNS自转损耗 timescale（约10^3 s），GW峰值与SGRB之间的时间延迟可实现约0.1%的测量精度，从而实现对寿命的精确测定。
• 该模型可对中子星状态方程施加约束：对于2.0 M⊙的SMNS，H4 EOS被排除，而APR4被允许；对于2.61 M⊙，两者均被排除。
• 若已知初始自转周期（例如来自GW观测），并假设偶极自转损耗，则SMNS的初始磁场强度可被约束在较窄范围内（约10^14–10^15 G）。
• 该情景预测存在可观测的SGRB前X射线余晖发射，以及无SGRB的'孤儿'余晖可能性，为关键观测检验提供了依据。