[论文解读] The dyadosphere of black holes and gamma-ray bursts

Giuliano Preparata, R. Ruffini+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 10

一句话总结

本文提出，某些黑洞周围的极端电磁场——电磁黑洞（EMBHs）——可通过施温格效应触发真空正负电子对产生，形成‘dyadosphere’，在此区域内电子-正电子对迅速生成。研究表明，10M⊙ 和 10⁵M⊙ EMBH 中的此类过程可产生具有足够能量的相对论性对-电磁脉冲（P.E.M. 脉冲），足以解释观测到的伽马射线暴，包括红移 z=3.4 的 GRB971214。

ABSTRACT

The "dyadosphere" has been defined (Ruffini, Preparata et al.) as the region outside the horizon of a black hole endowed with an electromagnetic field (abbreviated to EMBH for "electromagnetic black hole") where the electromagnetic field exceeds the critical value, predicted by Heisenberg & Euler for $e^+ e^-$ pair production. In a very short time ($\sim O(\hbar/(mc^2))$), a very large number of pairs is created there. We here give limits on the EMBH parameters leading to a Dyadosphere for $10M_{\odot}$ and $10^5M_{\odot}$ EMBH's, and give as well the pair densities as functions of the radial coordinate. We here assume that the pairs reach thermodynamic equilibrium with a photon gas and estimate the average energy per pair as a function of the EMBH mass. These data give the initial conditions for the analysis of an enormous pair-electromagnetic-pulse or "P.E.M. pulse" which naturally leads to relativistic expansion. Basic energy requirements for gamma ray bursts (GRB), including GRB971214 recently observed at $z=3.4$, can be accounted for by processes occurring in the dyadosphere. In this letter we do not address the problem of forming either the EMBH or the dyadosphere: we establish some inequalities which must be satisfied during their formation process.

研究动机与目标

• 建立理论条件，以确定极端电磁黑洞（EMBHs）如何通过真空正负电子对产生形成 dyadosphere。
• 确定支持恒星质量与超大质量黑洞 dyadosphere 形成的 EMBH 参数空间（如电荷、质量）。
• 为后续的相对论性膨胀建模 dyadosphere 中的对密度和能量分布的初始条件。
• 评估 dyadosphere 的能量输出是否足以解释观测到的伽马射线暴（GRBs）的能量特性，包括高红移事件如 GRB971214。
• 推导 EMBH 及其 dyadosphere 形成过程中的控制不等式，但不涉及其天体物理起源。

提出的方法

• 将 dyadosphere 定义为 EMBH 外部电磁场强度超过电子-正电子对产生临界场强（Schwinger 临界场）的区域。
• 使用海森堡-欧拉有效拉格朗日量估算强场中真空正负电子对产生的速率。
• 计算对产生 timescale ∼ħ/(mc²)，表明致密对物质等离子体迅速形成。
• 假设对物质等离子体与光子气处于热力学平衡状态，估算平均每对能量随 EMBH 质量的变化关系。
• 将所得系统建模为由初始压力梯度驱动的相对论性对-电磁脉冲（P.E.M. 脉冲）。
• 推导 EMBH 参数（质量、电荷）的约束条件，以确保 dyadosphere 的形成及产生足够能量输出以支持 GRBs。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 10M⊙ 和 10⁵M⊙ 黑洞中，dyadosphere 形成所需的临界电磁场强度和 EMBH 参数为何？
• RQ2 dyadosphere 中对密度如何随距 EMBH 的径向距离变化？
• RQ3 dyadosphere 中每对电子-正电子的平均能量是多少？其如何随 EMBH 质量变化？
• RQ4 dyadosphere 过程释放的能量是否足以解释观测到的伽马射线暴（如红移 z=3.4 的 GRB971214）的光度和总能量？
• RQ5 EMBH 及其 dyadosphere 的形成过程中必须满足哪些物理不等式以维持该过程？

主要发现

• 对于 10M⊙ 和 10⁵M⊙ EMBH，本文推导出导致 dyadosphere 形成的电荷和电磁场强度的具体限制。
• 计算了 dyadosphere 中对密度随径向坐标的变化，显示在视界附近密度极高。
• 基于与光子气的热力学平衡，估算了 dyadosphere 中每对的平均能量，为 P.E.M. 脉冲动力学提供了初始条件。
• 结果表明，P.E.M. 脉冲经历相对论性膨胀，与伽马射线暴的观测特性一致。
• dyadosphere 过程的能量输出足以解释红移 z=3.4 的 GRB971214 的高光度和总能量。
• 本研究建立了 EMBH 及其 dyadosphere 形成的必要不等式，尽管未涉及这些天体的天体物理起源。