[论文解读] X-rays, gamma-rays and neutrinos from collisoinless shocks in supernova wind breakouts

Boaz Katz, Nir Sapir+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 23

一句话总结

该论文表明，在致密介质中的超新星风爆发过程中，无碰撞激波不可避免地形成，产生非热闪光，包括硬X射线、伽马射线（>50 keV）以及能量相当或超过软X射线爆发发射的多TeV中微子。这些辐射可通过当前的X射线望远镜和公里尺度中微子探测器在数十兆秒差距的距离内探测到。

ABSTRACT

We show that a collisionless shock necessarily forms during the shock breakout of a supernova (SN) surrounded by an optically thick wind. An intense non-thermal flash of

研究动机与目标

• 研究在致密星周介质中，超新星风爆发期间无碰撞激波的形成机制。
• 确定此类激波产生的高能辐射特征——特别是X射线、伽马射线和中微子。
• 评估这些高能辐射使用当前和未来望远镜的可探测性。
• 通过证明在致密风条件下无碰撞激波不可避免，解决关于辐射主导激波中激波特性的争议。
• 将观测到的低光度伽马射线暴和明亮暂现源与爆发期间的无碰撞激波辐射联系起来。

提出的方法

• 建模一个以 $ v \sim 10^9 \, \text{cm} \, \text{s}^{-1} $ 速度穿过光学厚、完全电离氢风（密度分布为 $ \rho(r) \propto r^{-2} $）的活塞。
• 利用康普顿散射的辐射加速度，确定流体壳层所能达到的最大速度 $ v_{\text{max}} \lesssim 0.5 (R_{\text{br}}/r) v $，表明辐射主导激波无法在 $ r \sim 0.5 R_{\text{br}} $ 以外维持。
• 应用离子等离子体物理理论，表明离子等离子体频率 $ \omega_p \gg $ 两体碰撞率 $ \nu_C $，暗示通过集体不稳定性形成无碰撞激波。
• 通过能量等分和激波特效率估算非热粒子加速，计算高能光子和中微子的发射速率。
• 利用截面 $ \sigma \sim 10^{-34} \, \text{cm}^2 $ 和通量标度 $ N_\mu \sim 5 \times (E_{\nu}/10^{51} \, \text{erg}) / (d/100 \, \text{Mpc})^2 $ 推导中微子探测率，假设约1/3的能量以中微子形式释放。
• 通过对产生对的光学厚度 $ \tau_{\gamma\gamma} \lesssim \epsilon_{0.1} \cdot 0.6 v_9 \cdot (h\nu / m_e c^2) $ 评估伽马射线光学厚度，限制费米类仪器在GeV能量段的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在致密风中，超新星风爆发期间是否能形成无碰撞激波？在何种条件下形成？
• RQ2 此类激波产生的高能辐射（X射线、伽马射线、中微子）的能量预算和能谱分布如何？
• RQ3 当前X射线望远镜和公里尺度中微子探测器对这些高能辐射的可探测性如何？
• RQ4 观测到的低光度伽马射线暴和明亮暂现源的特性在多大程度上源于爆发期间的无碰撞激波辐射？
• RQ5 对产生对的光学厚度如何影响这些源的多TeV伽马射线的可探测性？

主要发现

• 在致密风中，超新星风爆发期间，由于等离子体不稳定性占主导地位，无碰撞激波必然形成。
• 高能非热辐射闪光（X射线、>50 keV伽马射线和多TeV中微子）的能量与软X射线爆发发射相当或更大。
• 硬X射线和伽马射线发射预计可被Swift/XRT和钱德拉X射线天文台探测到，其探测效率与软X射线发射相当。
• 多TeV中微子可能被IceCube等公里尺度中微子望远镜探测到，若约1/3的能量以中微子形式释放，100兆秒差距外源的探测率约为 $ N_\mu \sim 1 $。
• 能量高于1 MeV的伽马射线因对产生光学厚度 $ \tau_{\gamma\gamma} \lesssim \epsilon_{0.1} \cdot 0.6 v_9 \cdot (h\nu / m_e c^2) $ 而被抑制，限制了费米类仪器在GeV能量段的可探测性。
• 该模型挑战了将明亮超新星视为纯热爆发事件的解释，预测存在强烈的高能X射线辐射，而这一特征在部分观测案例（如PTF09uj、SN 2009ip）中缺失。