天文学的发展

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天文学的发展/2015/文章
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斯威夫特和费米时代的伽马射线爆发

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体积 2015 |文章的ID 568516 | https://doi.org/10.1155/2015/568516

浅野Katsuaki浅野Kohta Murase, 作为多能量中微子源的伽马暴”,天文学的发展, 卷。2015, 文章的ID568516, 10 页面, 2015 https://doi.org/10.1155/2015/568516

作为多能量中微子源的伽马暴

学术编辑器:瓦莱里·Nakariakov
收到了 2014年12月23日
接受 2015年3月23日
发表 2015年8月24日

抽象

我们回顾了非电磁发射的理论模型,主要是中微子和宇宙射线,从伽玛射线爆发(GRBs)。在相对论喷射传播的不同阶段,宇宙射线离子加速和随后的中微子发射是预期的。伽玛射线是高能宇宙射线的热门候选源,它们的瞬发相位已被广泛讨论。冰立方没有探测到PeV中微子与GRBs一致,这给标准理论预测带来了有趣的限制。GRB-UHECR假说可以在未来的观测中得到严格的检验。我们还强调了寻找GeV-TeV中微子的重要性,预计它们将处于前体/孤体或快速阶段,而低能量的中微子将更有保障,对它们的探测甚至可以让我们探测到起源恒星内部的物理。不仅是经典的伽玛射线爆,低功率伽玛射线爆和反相对论超新星也可能是极有希望的TeV-PeV中微子源,我们简要讨论冰立方发现的累积中微子背景的含义。

1.介绍

伽玛射线爆发(GRBs)是宇宙中最明亮的爆炸,其特征是在瞬发和余辉阶段都有非热光子发射。在这样的极端现象中,非轻子发射,如宇宙射线和中微子,已经被提出。维克斯曼(1]和维耶特里[2指出grb可能是超高能量宇宙射线(UHECRs)的来源。然后,对相关的中微子发射进行了预测[3.,4]。

GRB喷射流有几个候选位置,非热粒子在这些位置被加速。首先,从中央发动机发射的高能喷气式飞机可能会形成喷气式飞机的头茧结构(例如,[5,6[)在原恒星中。然后,激波到达恒星表面(激波爆发,例如,[7- - - - - -9],对于超新星来说),而喷射流在星际介质(ISM)中传播,或者在来自祖先的风物质中传播。在经典的内激波模型中,瞬发的伽马射线发射是由于射流内部的不均匀性或发动机活动的时间变异性引起的内激波。在~ 1016-10年17从中央发动机厘米,射流经由与外部介质的相互作用开始减速。在这个阶段对应于余辉外部冲击在光学观察, 和无线电波长。在喷流演化的各个阶段,我们可以期待粒子加速,这可能导致不仅光子发射,而且中微子和宇宙射线发射。

本文综述了伽玛射线中中微子和宇宙射线的研究。天文是一门重要的学科,现在中微子天体物理学刚刚起步,因为冰立方最近探测到了天体物理中微子[10- - - - - -13]。基于UHECR生产速率,检测到的PeV中微子通量兼容各种上界[14- - - - - -16,这可能表明UHECRs和PeV中微子之间存在某种联系。在接下来的十年里,中微子和高能天体之间的联系可能不仅会被冰立方发现,还会被其他中微子探测器发现[17- - - - - -21]。

此外,引力波(GW)探测器也会探测到grb [22]如aLIGO [23], aVirgo [24,和KAGRA [25]。特别是短伽马射线暴源的有希望的候选者是双中子星合并,这是GW探测器的主要目标。最近声称探测到一种“kilonova”,红外瞬变约10天后爆发,由短GRB 130603B [26与二元合并模式相一致,这令人鼓舞 -富含中子的喷出物所产生的过程核通过其放射性衰变提供红外线能量(例如,[27,28]和其中的参考资料)。因此,对伽马暴的GW观测将是未来十年最热门的研究领域之一。考虑到GW和中微子在性质上的不同,我们在本文中省略了这个话题。然而,我们应该注意到GW和中微子探测器之间未来相关性研究的重要性(例如,[29- - - - - -33])。

2.GeV-TeV中微子处于前体/孤儿阶段

对于长grb,最广为接受的假设是,在大质量恒星的核心坍缩过程中,从黑洞-吸积盘系统中发射出相对论性喷流。另一种情况是,中央发动机可能是一颗快速旋转、高度磁化的中子星。经典的火球场景[34假设在吸积盘上方形成了辐射主导的电子-正电子对等离子体。吸积盘可以发射出大量的热MeV中微子,通过中微子对湮灭产生火球[35- - - - - -37]。然而,与扩散超新星中微子背景相比,GRB热中微子的贡献可以忽略不计[38]。在这里,我们讨论在火球早期产生的高能中微子。

火球的体积洛伦兹因子随半径的变化而变化 作为 ,在那里 是火球的初始大小。加速度为 ,在那里 。在火球底部,很大一部分重子可能以中子的形式存在。最初 通过核弹性散射,各分量与的横截面紧密耦合 ,其中横截面为介子产经 碰撞是 。当散射的时间尺度 变得比动态时间量程长 , 组件分离。定义密度比 ,旋转坐标系中的质子密度可表示为 如果解耦发生在加速度期间,只有 组件可以被辐射压力加速。然后,它们之间的相对速度 流量可以高到产生介子通过 碰撞。然后,我们可以预计中微子会以几GeV的能量从介子和介子衰变中释放出来[39,40]。如果解耦发生在较晚的时候,内部冲击也会起到耗散作用。如果采用坡印廷通量耗散模型作为替代加速机制,射流最初可能演化为 (41,取决于耗散机制。Koers和Giannios [42高和米萨罗斯[43]计算了这种模型的中微子通量。

该化合物流模型已经在光球的场景为提示发射,其中伽玛射线光子的原点是主要的热,而不是同步的情况下已经考虑。通过非弹性二次电子 - 正电子对注射 碰撞在光子光谱中产生非热成分[44]。这种模型不可避免地预测出10-100 GeV范围内的准热中微子发射[45- - - - - -47]。然而,从单一伽马射线爆中探测中微子是一项挑战。Murase等人[45表明需要10年的叠加分析才能找到准热中微子的特征(见图)1)。

原恒星内部的喷射流可能是产生原中微子和孤中微子的地方[48- - - - - -51]。大质量恒星的核心坍缩造成的喷流中,有相当一部分可能无法突破恒星的包膜。冲击波加速的质子可以通过与热光子和热核子的相互作用产生介子。如果宇宙射线加速发生在高密度等离子体中,介子的冷却效应会强烈限制中微子的能量,而在更高的能量下,来自kaons的贡献占主导地位[52- - - - - -54]。从被阻塞的喷流中产生的中微子也可以被期望成为第一代恒星的巨大祖先(Pop)。三世明星(55])。

然而,在阻塞射流和亚光球GRB发射模型中假设的粒子加速在高功率射流中效率低下[51]。祖细胞内的高辐射压力使激波结构变形[56,其中激波过渡层变得比粒子的无碰撞平均自由路径更厚,因此粒子不能有效地加速到很高的能量。Murase和Ioka [51考虑到喷射流是准直的,并且变成了圆柱形而不是圆锥形的事实,得出了产生高能中微子的辐射限制。虽然高功率的伽马射线暴射流并不是很好的中微子发射器,但有趣的是,研究表明低功率伽马射线暴射流是更有前途的TeV中微子源。低功率的喷流更难以穿透恒星,因此“阻塞喷流”或“失效的grb”可能是更好的中微子源。如果壅塞伽马射线暴的比例足够高,这将大大提高中微子本底通量,而不是仅根据观测到的伽马射线暴率来估计[51]。

那么,我们还能从高能伽马射线爆中获得非热中微子吗?克服这一困难的一个有趣的想法是利用中子-质子-转换器(NPC)加速机制[57,58,和Murase等人[45]指出,这种机制在自然GRB射流发生只要中子被加载。当化合物流动造成内部冲击,从上游中子可以很容易地越过冲击过渡层,并且可以被再次转换成在下游质子。然后,这样的质子很容易被磁场isotropized,并且它们中的一些可以回到上游为中子。樫山等人。(58首先进行了数值模拟,结果表明入射中子能量的一大部分被转换成高能核子。由于中微子-核子横截面随能量增加,NPC加速机制增强了中微子的可探测性。

通过探测恒星内部喷流产生的高能中微子,我们可以从中微子的能量依赖时间和中微子光谱的截止能量中获得有关恒星起源的宝贵信息[59]。人们将能够研究中微子振荡,包括物质效应[60,61,而味道的测量可以让我们探测磁场[62或其他新的物理效应,如中微子衰变或量子退相干[63]。

3.PeV中微子和UHECRs处于瞬发发射阶段

瞬发发射阶段的内激波是UHECR加速位点的候选者之一。采用传统的能量分数参数 ,射流坐标系中的磁场为 虽然同步加速器冷却经常限制加速质子的最大能量,如果不是,等于动态时间尺度和加速时间尺度 导致 在哪里 为有效玻姆因子。根据当地的GRB率 1 (例如,(64),解释局部UHECR通量(从最小质子能量到最大质子能量的积分)所需要的加速质子能量是瞬时相释放的伽马射线能量的10-100倍(如[65])。虽然我们的星系的伽马射线暴率可能非常低,但过去的一次伽马射线暴可能对观测到的宇宙射线通量和组成有所贡献[66,67]。然而,所需的重子载荷系数必须相当大。

如果宇宙学的GRBs是UHECRs的来源,由于星系间和星系磁场的关系,到达时间是能量依赖的,因此单个源可以显示一个狭窄的光谱特征,取决于表观源数密度[68- - - - - -70]。虽然尚未发现UHECRs到达方向的点源或显著的各向异性[71, UHECR约束仍然与GRB-UHECR场景一致[70,72]。

Pierre Auger合作的结果声称UHECRs的最大簇射深度表明重核的比例在增加[73,74],而望远镜阵列小组的数据仍可解释为质子主导的成分[75]。如果GRB射流是由磁性主导的,由于其低熵,重核可能被合成[76]。UHE核的在发射区域的生存已被证明是可能的[65,77,78]。

计算了制备光生的时间尺度 在哪里 光子入射角的余弦是多少 是质子无弹性。如果我们采用矩形近似的介子生产周围 -共振(但请参阅[79多蝎生产的重要性), ,在那里 为光子在质子静止坐标系中的能量。制备光生的效率 估计是 在哪里 是动态时间, , GeV, GeV, 光度是 , 为光子指数, 发射半径是多少 为喷流的体积洛伦兹系数。典型的中微子能量是 低能量部分( )时,制备光化生的效率随时间的增加而降低 。对于高能部分,如果 ,时间尺度不依赖于质子能量。

累积中微子本底强度是通过对来往的伽马射线暴率进行积分得到的, (例如,[80]) 在哪里 (中微子GeV−1)为每次爆发的平均中微子光谱。

一些作者估计了来自GRBs的累积中微子通量[79,81- - - - - -87]。冰立方的合作给理论预测带来了有趣的限制[88]。然而,他们用于解释的理论模型有一些在早期理论论文中不存在的警告(例如,[79,86])。基于原论文的预测流量[4实际上比Abbasi等人所显示的要低[88]。请注意,这种差异不是由天体物理的不确定性引起的,因此应适当考虑[89- - - - - -92]。结果,只有乐观的模型,比如重子载荷因子大的模型,被观测结果排除在外。此外,从附近的明亮爆炸GRB 130427A中没有检测到中微子[93严重限制中微子的生产效率[94]。

此外,还取得了一些先进的进展(例如,[92,95- - - - - -One hundred.])。浅野和Meszaros [95]对大范围参数集的强子级联进行了随时间变化的数值模拟,在Wanderman和Piran的工作中采用了光度函数[64和变异性时间尺度的对数正态分布( )。漫中微子强度远低于由冰块实验极限指示由阿巴斯等人。(88)(见图2)和Aartsen等人的最新研究结果。[101],而GRBs释放的UHECRs仅贡献上述 微中子的产生效率应被较大的微中子抑制 或更小 至少对于明亮的grb来说是这样。我们还应该注意到,根据不同的模型,中微子强度可以由少数非常明亮的伽玛射线所决定,而大多数uhecr是由相对不那么明亮的伽玛射线所释放的。Bustamante等人[97]内部冲击的执行的仿真和第一计算中微子,γ射线,并从多个发射区域UHECR发射。他们考虑到了所有的细节微观,包括multipion生产和中微子混合。他们发现,中微子发射被周围的光球的贡献为主,而UHECRs和伽马射线来自大半径。有趣的是,示出的是,最小弥散中微子是相当强劲,这是10〜−11GeV厘米−2年代−1−1。这意味着,在内部激波模型中,GRB-UHECR假说可以通过下一代中微子探测器更有力地检验。

大的非热重子载荷因子已经受到伽玛射线和中微子的挑战。如果上述模型假设质子在瞬发阶段被有效加速,则由质子伽玛射线和/或质子同步加速器发射触发的电磁级联可能会产生GeV-TeV光子[102- - - - - -108]。实际上费米在GeV能量范围内发现了额外的光谱成分,这是强子级联的可能特征[109- - - - - -112]。然而,存在其他解释,包括轻子模型[113- - - - - -117]和早期晚霞模型[118- - - - - -120]。在强子模型中,与观测到的GeV通量相一致的质子能量是伽马射线能量本身的10-100倍[121- - - - - -123],这与GRB-UHECR情况是一致的。如果所有暴有如此大的质子光度,强子级联发射应压倒原始轻子分量和扭曲的伽玛射线谱[124]。大多数grb没有强有力的证据表明GeV范围内存在额外的光谱成分[125,126,这意味着产生中微子的效率也不应该很高[127]。

有替代模型的瞬发发射,其中强子级联发挥关键作用。轻子随机加速度模型(例如,[128)假设由于加速和冷却的平衡,电子的能量分布很窄。虽然这种能量分布可以自然地再现低能量部分的硬光谱指数,但需要解释高能量部分。Murase等人[129]认为强子级联过程是一种有效的电子注入机制,而同步加速器谱显示是非常困难的。热光谱和同步加速器光谱的结合可以解释各种GRBs的光谱。在Petropoulou等的模型中[130,通过强子级联产生的次级光子被次级电子-正电子对散射。这种压缩形成了类似波段的频谱。这样的模型总是伴随着一些中微子的发射,所以冰立方的限制应该被考虑进去。

虽然内激波模型可以定性地再现观测到的光曲线和伽马能谱,但存在发射效率、低能谱指数和光谱峰能量分布狭窄等定量困难。另一种模型是耗散光球模型[44,47,131- - - - - -135],其中部分喷射能量在光球附近被耗散成非热电子。在这种模型中,预期粒子加速度的耗散半径比内激波模型中要小得多。结果, 效率提高,而对介子/子的冷却效应软化了中微子光谱[136,137]。对于坡印亭通量为主的喷流,它们具有相对较大的光球层和磁场。模型特征的这种差异导致了中微子光谱的一些变化[65,91,138,139]。

在CTA时代的TeV伽马射线观测也将是相关的。如果CTA探测到GRB,其巨大的光子统计量将提供专门的光曲线。通过对TeV和MeV光曲线的相关性研究,我们可以确定GeV-TeV光子的发射机理。如果GeV-TeV光子是来自强子级联的次级光子,则GeV-TeV光曲线将与MeV伽马射线变异性相关,但会显示更宽的脉冲剖面,反映出比电子冷却更长的光生时间尺度[140]。

UHECRs和累积中微子背景的主要贡献可能来自另一类grb,比如低光度grb (LL grb [142- - - - - -144])。尽管伽马射线能量, erg则低得多,其较高的事件率使得LL GRBs成为UHECRs和中微子的候选源[65,141,145,146]。如图所示3.在Murase等人的工作中,模型光谱之一[141]和Murase及Ioka [51有趣的是,与观测到的扩散PeV中微子强度(~10)很接近−8GeV厘米−2年代−1−1(11])。

到目前为止,所有LL型grb都伴有宽线型Ic超新星和轻度相对论性喷出物[147,148]。UHECR的产生和中微子从这种温和的相对论冲击[65,149和冲击突破[58]也被讨论过。Kashiyama等人的冲击突破模型[58预测TeV伽马射线和高能中微子,因此未来的TeV伽马射线观测如CTA将是重要的,尽管CTA的探测可能性可能小于~0.1 yr−1(150,151]。

4.在余辉阶段的EeV中微子和UHECRs

余辉的发射是由外部冲击传播ISM或风材料引起的。在外部向前冲击一直被视为UHECR和EEV中微子在生产现场[152- - - - - -154]。从几个GRBs检测到的长期GeV排放费米可解释为余辉[118,119],其中相当一部分本体能量被耗散成电子,除非只有一小部分粒子被注入到非热加速中。注意,谱峰在EeV范围内;这个模型不能解释冰立方探测到的累积中微子背景。我们也应该注意到粒子在正激波加速到超高能量的理论困难(例如,[155]和其中的参考资料)。相对论激波常常变成超光速的,在这种情况下,粒子在很高的能量下加速效率很低。有人认为,UHECRs不能由正激时的激波加速机制产生,但也有其他可能性,如随机加速[152]。

在另一方面,外部反向冲击已经UHECR生产和EEV中微子的产生良好的网站之一,因为它是轻度相对论或非相对论[156]。在余辉相的低光子密度通常暗示photomeson生产中等效率。余辉画面是现在丰富的斯威夫特时代,许多模型已经被提出。在反向激波中加速的UHECRs可以与正激波和反向激波产生的光子相互作用。Murase [80研究了各种可能性,并证明了用下一代中微子探测器如Askaryan无线电阵列探测EeV中微子是可能的(见图)4)。

此外,余辉发射可能包括来自内部耗散的组件。一个著名的例子就是x射线耀斑发射。虽然耀斑的高能伽马射线发射通常是根据轻子模型来讨论的[157,也有可能出现强子发射[158]。由于产生光子的效率可能比在瞬发阶段更高,与耀斑和余辉发射(由内部耗散引起)同时发生的中微子可能与瞬发中微子发射同等重要[80,158]。

5.总结

GRBs的千万复仇者时代正在到来。特别是,冰立方合作已经发现了高能中微子,中微子天体物理学现在已经开始。虽然目前还没有发现GRB中微子,但探测GRB中微子仍然是识别中微子源的诱人可能性之一。即使没有检测到,最新的约束条件对于测试GRBs和UHECRs之间的连接也很重要。伽马射线观测,费米也提供了补充信息,而CTA可以使我们从伽玛射线伽玛射线的高统计量检测TeV。

CTA在研究余辉机制方面也应该很强大。到目前为止,还没有迹象表明强子发射在余辉阶段,但有可能期待相关的UHECR和EeV中微子发射。对从余辉中获得极高能量的中微子的搜索也将在未来得到改进;下一代探测器,如Askaryan无线电阵列,可能使我们能够在余辉模型中测试GRB-UHECR假说。

此外,对GeV-TeV中微子的探测也很有希望,而且在喷流爆发前分析来自阻塞喷流和GRBs的低能量中微子对于揭示喷流物理以及GRBs和超新星之间的关系也很重要。在这种情况下,伽马射线不能直接逃逸,所以中微子为我们提供了一个独特的机会。

利益冲突

作者声明,本论文的发表不存在任何利益冲突。

承认

本论文的部分经费由国家科学研究资助基金编号为:来自日本教育、文化、体育、科技省(MEXT)的25400227。

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