伽马射线暴外流中合成的重核作为超高能宇宙射线的来源
高能天体物理现象
2015-05-27 v2 宇宙学与河外天体物理
摘要
皮埃尔·奥格天文台近期的测量表明，超高能宇宙射线 (UHECRs) 的成分在高能端变得以重核为主。然而，迄今为止，还没有天体物理动机去考虑一个富含重元素的源。在这里，我们证明伽马射线暴 (GRBs) 的外流可能确实主要由质量 A ~ 40-200 的核素组成，这些核素是在炽热物质从中心引擎向外膨胀时合成的。特别是，如果喷流是磁主导的（而非热驱动的火球），其低熵使得重元素能够有效形成。采用毫秒级原磁星模型作为 GRB 中心引擎，我们表明重核既在原磁星风中合成，原则上也可以在驱动 GRB 的激波或磁重联区域中被加速到 >1e20 eV 的能量。如果喷流起源于磁化的盘风，类似的结果可能适用于吸积驱动的 GRB 模型。根据所合成核素的具体分布，我们预测平均原初质量可能在最高能量端继续增加，超越铁族元素，可能达到 A ~ 90（锆）、A ~ 130（碲）甚至 A ~ 195（铂）的峰值。因此，未来对能量 >~ 1e20 eV 的 UHECR 成分的测量可以证实或约束我们的模型，并有可能揭示 GRB 外流的性质。超重核在河外背景光中更长的衰减长度极大地扩展了可及源的范围，并缓解了 GRB 作为 UHECR 源的能量约束。
引用
@article{arxiv.1101.4019,
title = {Heavy Nuclei Synthesized in Gamma-Ray Burst Outflows as the Source of UHECRs},
author = {Brian D. Metzger and Dimitrios Giannios and Shunsaku Horiuchi},
journal= {arXiv preprint arXiv:1101.4019},
year = {2015}
}
备注
10 pages, 3 figures, final version now accepted to MNRAS