不同伽马暴的多波长余辉特性:自然或特别的东西吗?

文摘

光学rebrightenings和x射线检测的高原余辉的伽马射线爆发(GRBs)挑战通用外部冲击模型。最近,我们开发了一种数值方法来计算系统的动态组成的正向冲击和反向冲击。在这里,我们简要回顾一下这个方法的应用在余辉理论。通过有关这些不同特性grb的中央引擎,我们发现造成的陡峭的光学rebrightenings将备用吸积黑洞,而浅的后果是光学rebrightenings注入电子正电子对风从中央磁星。这些研究提供有用的方法来探测伽马线暴中央引擎的特点。

1。介绍

相信伽马暴(GRBs)也来自大质量恒星的崩溃(1- - - - - -4]或中子星(NSs)的合并5- - - - - -7可以启动),在此期间,平行相对的流出。当流出传播至circum-burst介质,相对论的冲击波将开发的动态演化Blandford-McKee所描述的解决方案(好8]。冲击波会大扫除,加快circum-burst电子并产生余辉频率从x射线到无线电波(9- - - - - -11]。这是GRB余辉的基本情况。pre -斯威夫特时代,许多余辉lightcurves显示一个平滑的幂律衰减,这可以解释由电子同步加速器辐射加速向前冲击(FS)。为一个完整的参考分析同步外部冲击的余辉模型,可以看到[12]。然而,许多意想不到的功能在余辉后来观察到由于斯威夫特卫星(13- - - - - -15)和其他光学望远镜(例如,葛龙德望远镜;参见[16])。

耀斑和浅层衰减阶段的早期(或所谓的x射线高原)是常见的x射线余辉数据(17]。这表明中央引擎grb仍然活跃的破裂后,给我们一个有用的线索调查中央引擎。另一方面,一些光学余辉显示在晚期rebrightenings观察者框架(年代)。在某些情况下,在x射线都伴随着光学rebrightenings疙瘩(例如,GRB 120326 a (18,19]),同时,在其他情况下,没有明确对应的特性在光学波段(例如,GRB 100814 a [20.])。x射线高原和光学rebrightenings无法解释框架的一个简单的FS的场景。因此研究者提出几个改进模型近年来解释这些意想不到的特性(见[21,22]审查)。刺激这些精致的模型,迫在眉睫的是要回答是否x射线高原和光学rebrightenings有一种天然的起源或在不同的伽马射线爆它们特殊的结果不同。

通常,释放的能量在x射线高原几及时排放的百分比(23),促使研究人员青睐的场景涉及能量注入过程。根据后期注入流出的构成,通常有三种类型的能量注入过程,即纯Poynting-flux注射(24- - - - - -27),碰撞动能主导壳(28),并注入电子正电子对风(风(29日,30.])。如果一个进一步考虑光学rebrightenings,呼吁其他场景,包括circum-burst密度跳跃(31日- - - - - -33),双组分飞机(34,35),和不同微观物理学的参数(36]。所有这些模型已经成功在某种程度上解释一个或几个余辉根据先前的研究。另一方面,大多数研究人员认为,中央引擎的grb黑洞(黑洞)或磁星。因此,它可能是合理的推断出某种特定群体的余辉应该有共同的特征,而这些特征与中央的物理引擎。

根据先前的研究,后期吸积黑洞可能持续活动的备用材料,无法逃离的前身星37- - - - - -39]。能量注入预计将推迟了退路。如果FS是受到这样一个延迟的能量注入,从noninjection冲击动力学应该快速发展阶段一个injection-dominated阶段(40]。因此,与陡峭的光学余辉rebrightenings (rebrightening的时间尺度)生成。我们因此提出,陡峭的光学rebrightenings造成的候补中央吸积黑洞的过程。相比之下,能量流从磁星的形式可能是连续的风。的风模型最初提出解释x射线高原(41]。高原期的结束时间大概是典型的向下的时间表(新生的磁星的)。光学rebrightening广而浅,也正值高峰时间,这促使我们相信风模型应该工作与浅光学余辉rebrightening和一个陪x射线的特性。

我们已经开发出一种semianalytic方法来解决系统的动态包括FS和反向冲击(RS)。它可以应用在不同的情况下,如当一个密度介质或跳风。在本文中,我们简要描述近年来相关研究和展示调查有助于阐明grb的本质。节2,我们重温circum-burst密度跳场景和比较我们的结果与先前的水动力模拟(42,43]。推迟能量注入模型中讨论部分3。节4,我们表明,风范自然会产生光学rebrightenings和中央磁星的一些特点可以派生通过比较理论结果与观察。最后,我们的结论进行了总结5。

2。密度跳场景

提示发射的伽马射线爆发后,FS将形成并传播到circum-burst媒介。FS可以描述的动态提出的一组微分方程(44- - - - - -46]。假设的数量密度轮廓半径的circum-burst媒介是阶跃函数,(),(),过渡半径和吗。FS之前到达的进化的洛仑兹因子FS ()是由(47] 在哪里是初始流出的质量,是环境介质的质量被FS,然后呢材料的辐射效率是震惊。下标“2”是用来标记数量在震惊的地区。

当FS遇到密度跳跃,就形成了一种RS和传播回热壳(48,49]。这两个冲击(FS和RS)和接触不连续将分离系统分为四个区域:()unshocked高密度介质,()forward-shocked高密度介质,()reverse-shocked热壳,()unshocked热壳。在这篇文章中,数量在地区”“用下标”,“我们扩展的推导44包括反向冲击的作用。首先,假设地区的洛仑兹因子2 ()和区域3 ()是相等的;也就是说,。其次,我们可以计算每个区域的能量和总能量。地区的大规模增加3,FS-RS系统的辐射能量。通过将与和使用一些额外的方程,我们可以获得 在哪里()是相对洛仑兹因子(速度)地区4衡量框架的其余部分地区2,的速度区域4,,,,是其他变量的函数(见附件(47])。可能最后派生其他方程涉及,,,。

在这里,我们简要描述如何解决后的通量密度计算(1)和(2)。通常,能量分布函数,震惊的电子被认为是两段幂律形式(50),的指标和。以下,我们使用'(′)变量来表示数量的冲击comoving框架和人物没有'来表示数量的观察者。同步加速器和逆康普顿(IC)辐射然后被认为是计算从电子发射。基本配方可以在找到45,51- - - - - -53]。最后,观察到的通量密度是通过集成来自电子的发射表面上平等到达时间(54,55]。

根据以前的研究(31日- - - - - -33),光学rebrightening归因于辐射地区3所示。然而,从我们的精制的计算结果是不同的。在我们的工作中,我们发现发射区域3的大小主要是由两个因素决定的。一个是热洛伦兹地区3中重子的因素;也就是说,()。另一个因素是电子数密度的区域3,。我们流出参数的初始值设置为各向同性的动能erg,最初的洛仑兹因子,厘米⁻³,厘米,和红移。在图1,我们计算出两种情况下不同密度比率(),分别为10和100倍。结果从我们semianalytic显示方法给出的解析解是高估了(参见图1)。此外,我们使用3计算volume-averaged comoving体积的区域,远远低于预测的冲击跳转条件(见图(47])。因此,辐射地区3实际上是低于先前的分析研究。图2显示相应的lightcurves两种情况。没有明显的肿块出现后密度跳在这些情况下。这是符合几个水动力模拟的结果(42,43]。在我们的计算中,采用典型值为参数的等离子体在所有地区56];也就是说,为电子能量均分参数参数的磁场能量均分电子分布指数,半开的角。

3所示。推迟能量注入模型

我们现在专注于陡峭的光学rebrightenings的余辉。我们表明,陡峭的光学rebrightening可以推迟能量注入场景中自然生成。在这个模型中,中央引擎后突然被认为是黑洞。考虑附近沿旋转轴的黑洞在后期时候应该干净,我们可以假设能量流在Poynting-flux类型。延迟Poynting-flux会被后面的热等离子体吸收FS和修改FS的动态。如果Poynting-flux的光度,然后动态[FS可以描述的40] 在哪里是散装FS的洛仑兹因子,伽马线暴流出的是喜气洋洋的因素,由冲击席卷了质量,辐射效率,FS的半径,是时候从事件以分组器框架。这样的能量注入延迟将导致快速变化发展的根据(3);因此流量会急剧上升。

的能量注入功率(光度)在默认吸积可能来自一些磁过程(58- - - - - -60];然而,其具体时间还不确定。在这里,我们使用两种可能的模式计算。一个是上流社会的模式,注入了力量从开始时间是一个常数结束时间(38]。的broken-power-law模式,另一种是光度剖面类似于配置文件的质量吸积率在备用(3,39,61年,62年];也就是说, 在哪里峰值亮度在高峰时间吗,,分别上升和下降指数、是峰的清晰度。在图3在两种模式,我们将展示lightcurves计算,从中我们发现陡峭的光学rebrightening将生成。流出的初始条件和辐射过程中涉及的关键参数是相同的部分2。

这个模型被用来解释陡峭rebrightenings lightcurves的GRB 08102940,63年,64年]和GRB 100621 a [40,65年]。我们注意到就等于,这使 在哪里是备用半径,是引力常数,是中央黑洞的质量。此外,注入的能量应该来自备用材料的势能;也就是说, 在哪里是总放低质量和是能量转换的效率。在上流社会的模式,(5)和(6)将给 因此,原则上,可以推断出从配件到光学rebrightenings的场景。

4所示。风模型

在前一节中,我们解释陡峭的光学rebrightenings通过推迟能量注入模型。现在,我们讨论另一组余辉,光学rebrightenings浅。

祖的伽马线暴后,剩余的对象可能是一个磁星,将失去其转动能量的连续Poynting-flux弹射出来。在风范,Poynting-flux可能转换成一个风,从现象暗示与脉冲星风星云(66年- - - - - -68年]。随着风赶上FS,就形成了一种持久的RS和传播回风。的RS-shocked将作为另一个发射源除了电子震惊FS。因此,余辉lightcurves两个组件的组合。这个模型提出了解释x射线高原之前。然而,我们发现这种模式可能占浅光rebrightenings的共同起源年代。

对于一个新生的磁星,其Poynting-flux光度是(69年] 和它的向下的时间表 在哪里,,,表面磁场强度、半径、自转周期,分别和惯性矩磁星。该公约研究生院理事会单位采用以下。我们假设Poynting-flux转换成双;那么粒子密度comoving unshocked风的框架,在那里是散装的洛仑兹因子unshocked风(下面称为地区4)。与快速的进化在延迟的能量注入场景中,进化的浅由于顺利在进化吗在这里。

FS-RS的动态系统可以解决通过应用方法中提到的部分2。与此同时,另一种方法,被称为机械法(70年,71年),也提出了解决这种FS-RS的动力学系统。在这里,我们首先比较这两种方法。让我们考虑一个流出一个各向同性的动能erg和最初的洛仑兹因子,我们组厘米⁻³,,G。的进化因此可以通过使用这两种方法,分别。在图4,我们看到的结果法和机械法是一致的。下面,我们采用机械方法来解决FS-RS的动态系统。

后的参数,,,,,,相应的lightcurves可以计算(见图5)。在本例中,它显然是表明通量从RS开始超过FS ~ 5×10⁴年代,导致光学rebrightening和x射线的出现同时高原。由于表面平等的到达时间的影响(54,55,72年),光学rebrightening的高峰时间将被推迟,比。然而,这种延迟x射线可以忽略。因此,光学rebrightenings比“x射线rebrightenings相对更容易出现。“换句话说,这是常有的事,只有x射线高原或没有等效特性x射线光学rebrightening伴奏。这个属性在我们的模型中是许多观察有趣的是一致的。在图6使用不同的值计算、光学余辉。从这些结果,发现持久的通量RS浅光rebrightening中所占的比例。的风模型已经应用(论文)提交解释GRB 080413 b的余辉(73年],GRB 090426 [74年],GRB 091029 [75年],GRB 100814 a (20.]。

由于RS的通量是敏感的和,风的场景提供了一个有用的方法来探测新生的磁星的特点。考虑到这一事实和是唯一由参数决定的,我们建议可能会限制从配件到观察rebrightenings。

5。讨论

在本文中,我们表明,密度跳场景无法解释观察到的许多光学rebrightenings伽马线暴余辉。此外,我们观察到的分类与光学余辉rebrightenings分成两组,调查其内在的起源。解释与陡峭的光学余辉rebrightenings推迟能量注入模型,这是与中央吸积黑洞。与此同时,与浅光学余辉rebrightenings解释的风模型,其中中央引擎是一个磁星。

虽然上述两组rebrightenings余辉也有类似的起源,一些其他因素的做法,将让形势不同。一些余辉的观测数据清楚地表明,他们的光谱指数发展(75年]。他们很难令人满意的模型只使用这里讨论的简单模型和/或其他的模型。对于简单的风模型或双组分飞机模型、光谱进化会发生只有当特征频率是穿越观察乐队,或者当后来组件开始占主导地位,但它不能适合一些特殊的伽马射线爆。在这种情况下,包括一些微观物理学的过程可能需要匹配的观察。例如,在不同的场景(微观物理学的参数36),不同的电子分布指数将有助于解释一些意想不到的光谱演进[75年]。不同微观物理学的参数可能与相对论的加速度性能冲击(76年]。由于加速度的性能冲击可能依赖于磁化等离子体(或其他因素)和磁化是高度可变的(77年),一些特殊的余辉是可预见的。

有人建议,双组分飞机也会占一些浅rebrightenings。长时间的grb的黑洞模型提供了一个自然机制生成双组分喷气式飞机;即高速射流从一颗恒星是伴随着一个相对缓慢的茧78年,79年]。的rebrightening lightcurve本身无助于绝对歧视风从双组分模型飞机模型,由于宽射流的作用类似于RS的角色。然而,还有另一种方法,可以帮助我们在未来。双组分飞机应该与黑洞有关。如果rebrightening观察与双NS合并(引力波的探测80年)),但不是一个黑洞,那么风模型将是首选。

光学的内在起源rebrightenings有助于调查中央引擎的特点。在延迟的能量注入模型中,可以来源于rebrightening的开始时间,然后呢因此可以获得。如果观测数据已经足够好了,可以限制在拟合过程中,我们可以估计的总质量备用材料。此外,退路吸积理论要求陡峭光学rebrightening应该伴随着低能量的超新星,退回的材料可以在爆炸。可以测试该模型从而GRB-supernova协会未来的观测。在风模型,大致可以推断出从光学rebrightening的高峰时间。一般来说,早期rebrightening意味着大或更小。所以和可以从观测的限制。因此,模型提供了一个潜在的方法来探测的特点,中央磁星。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突与本文有关。

确认

作者感谢梁李有益的讨论。这项工作是支持中国的国家基础研究计划与格兰特没有。2014年cb845800和由中国国家自然科学基金批准号11473012。

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