[论文解读] X-Ray Afterglow Plateaus of Long Gamma-Ray Bursts: Further Evidence for Millisecond Magnetars

Shu-Xu Yi, Zi-Gao Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 10

一句话总结

该论文通过分析24个在平台期之后具有陡峭衰减的长伽马射线暴（GRBs），进一步提供了毫秒磁星驱动长伽马射线暴X射线余晖平台的证据。利用类脉冲星的L_X–L_sd相关性，研究发现初始自转周期为1–10毫秒，磁场强度接近10^15 G，表明X射线辐射效率接近100%，强烈支持磁星中心引擎模型。

ABSTRACT

Many long-duration gamma-ray bursts (GRBs) were observed by {\it Swift}/XRT to have plateaus in their X-ray afterglow light curves. This plateau phase has been argued to be evidence for long-lasting activity of magnetar (ultra-strongly magnetized neutron stars) central engines. However, the emission efficiency of such magnetars in X-rays is still unknown. Here we collect 24 long GRB X-ray afterglows showing plateaus followed by steep decays. We extend the well-known relationship between the X-ray luminosity ${L_{\mathrm{X}}}$ and spin-down luminosity $L_{\mathrm{sd}}$ of pulsars to magnetar central engines, and find that the initial rotation period $P_{0}$ ranges from 1 ms to 10 ms and that the dipole magnetic field $B$ is centered around $10^{15}$ G. These constraints not only favor the suggestion that the central engines of some long GRBs are very likely to be rapidly rotating magnetars but also indicate that the magnetar plateau emission efficiency in X-rays is close to 100%.

研究动机与目标

• 研究长伽马射线暴X射线余晖平台的起源，特别是那些在平台期之后出现陡峭衰减的暴。
• 检验毫秒磁星是否能够解释观测到的平台期和陡峭衰减阶段。
• 利用X射线光度与自旋损耗光度的关系，约束磁星中心引擎的初始自转周期和磁场强度。
• 通过比较观测到的X射线光度与自旋损耗光度，估算磁星的X射线辐射效率。
• 验证假设：磁星驱动的伽马射线暴遵循与普通脉冲星相同的L_X–L_sd相关性。

提出的方法

• 作者从Swift/XRT观测中收集了24个具有X射线余晖平台并随后出现陡峭衰减的长伽马射线暴。
• 将普通脉冲星中观测到的L_X–L_sd相关性应用于磁星驱动的伽马射线暴，假设其辐射效率缩放关系相同。
• 通过平台衰减时间与X射线光度推导出自旋损耗光度L_sd，假设平台结束时刻即为自旋损耗 timescale。
• 利用标准磁星自旋损耗公式L_sd = (4π² I c³)/(3c⁴) × (P⁻⁴) × (B²)，其中I ≈ 10⁴⁵ g cm²，计算初始自转周期P₀与偶极磁场B。
• 将辐射效率η = L_X / L_sd视为自由参数，并通过匹配观测到的L_X与由脉冲星相关性推断出的L_sd来约束其值。
• 分析中使用了Dainotti等（2010）提出的L_X–T_b相关性推导出的红移值，将观测通量转换为光度。

实验结果

研究问题

• RQ1 长伽马射线暴中的X射线平台及其后续的陡峭衰减是否可由一个长寿命的磁星中心引擎解释？
• RQ2 基于X射线光度与自旋损耗光度的约束，这些伽马射线暴中磁星的初始自转周期和磁场强度是多少？
• RQ3 磁星在伽马射线暴中的X射线辐射效率是多少？是否与普通脉冲星一致？
• RQ4 在普通脉冲星中观测到的L_X–L_sd相关性是否适用于伽马射线暴中的毫秒磁星？
• RQ5 推导出的磁星参数是否支持某些长伽马射线暴由毫秒磁星驱动的假设？

主要发现

• 磁星中心引擎的初始自转周期P₀在1毫秒至10毫秒之间，与毫秒磁星的形成一致。
• 偶极磁场强度B约为10^15 G，符合磁星的典型特征。
• X射线辐射效率η = L_X / L_sd接近100%，表明几乎所有的自旋损耗能量都以X射线形式辐射。
• 在普通脉冲星中观测到的L_X–L_sd相关性同样适用于伽马射线暴中的磁星，支持了其具有相似辐射物理机制的假设。
• 推导出的参数与磁星模型是长伽马射线暴中X射线平台辐射的主要引擎，尤其是在具有陡峭衰减的暴中，结果一致。
• 结果进一步加强了毫秒磁星是至少部分长伽马射线暴中心引擎的证据。