从 GRB 221009A 的 MeV 谱线发射推导喷流物理的启示

人们认为超相对论性喷流在产生伽马射线暴（GRBs）的瞬时发射和余辉中起着重要作用，但由于在瞬时发射中缺乏观测到的决定性特征，喷流的本质仍知之甚少。在有史以来最亮的 GRB 221009A 中，发现了一条从约 37 MeV 演化至 6 MeV 的发射线，这为探测 GRB 喷流物理提供了前所未有的机遇。该线中心能量随时间演化的幂律指数为 $-1$，这可以通过高纬曲率效应自然解释。在假设该谱线发射是由喷流中 $e^\pm$ 对的产生、冷却和湮灭在瞬时发射中产生的条件下，我们可以利用观测到的谱线发射性质严格约束喷流物理。我们发现发射区域的半径为 $r\gtrsim10^{16}$ cm。约 $10\%$ 的窄线宽要求谱线发射发生在动力学时间的 $\sim10\%$ 以内，这进一步意味着对冷却至非相对论性状态的时间尺度及对湮灭的时间尺度很短，以及一个略微成块的发射区域。如果喷流的 Lorentz 因子为 $\Gamma\gtrsim400$，快速冷却的要求需要喷流中的磁场能量密度远大于瞬时伽马射线的能量密度，即一个磁主导喷流。谱线通量的时间行为表明谱线发射具有一定的角度依赖性。我们还讨论了观测到的发射线在其他情景下的困难。