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天体物理学 > 高能天体物理现象

arXiv:2311.09297 (astro-ph)
[提交于 2023年11月15日 ]

标题: 相对论性喷流爆破波的结构与演化

标题: The Structure and Evolution of Relativistic Jetted Blast Waves

Authors:Taya Govreen-Segal, Ehud Nakar
摘要: 我们从解析和数值的角度研究了在均匀介质中传播的相对论喷流冲击波的结构及其演化,这些冲击波类似于伽马射线暴的余辉。 与之前的研究类似,我们发现演化可以分为两个阶段:(i) 预扩散阶段,在此阶段喷流的核心夹角大致恒定为 $\theta_{c,0}$,而轴向上的冲击洛伦兹因子 $\Gamma_a$ 按照部分 Blandford-Mckee 解演化;(ii) 扩散阶段,在此阶段 $\Gamma_a$ 随半径呈指数衰减,核心夹角 $\theta_c$ 迅速增大。 然而,在相对论阶段,喷流仍保持准直,其中 $\theta_c(\Gamma_a\beta_a=1)\simeq 0.4\theta_{c,0}^{1/3}$。 当 $\Gamma_a\simeq 0.2\theta_{c,0}^{-1}$ 时,这两个阶段发生转变。 我们发现,具有初始“狭窄”结构($\frac{d \log\,E_{iso}}{d\log\,\theta}<-3$核心之外,其中$E_{iso}$为各向同性等效能量)的喷流“翅膀”在预扩展阶段开始演化。 到扩展阶段时,这些喷流演化为一个与初始结构无关的自相似轮廓,在翅膀处有$\Gamma(\theta)\propto\theta^{-1.5}$和$E_{iso}(\theta)\propto \theta^{-2.6}$。 具有初始“宽广”结构的喷流在整个演化过程中大致保持其初始轮廓。 我们提供了不同初始结构下喷流横向轮廓演化的解析描述,以及$\Gamma_a$和$\theta_c$的演化。 对于非轴向伽马射线暴(GRB),我们提出了初始喷流结构与光曲线上升阶段之间的关系。 将我们的模型应用于GW170817,我们发现喷流最初具有$\theta_{c,0}=0.4-4.5~\deg$和与$E_{iso} \propto \theta^{-3}-\theta^{-4}$一致的翅膀。
摘要: We study, analytically and numerically, the structure and evolution of relativistic jetted blast waves that propagate in uniform media, such as those that generate afterglows of gamma-ray bursts. Similar to previous studies, we find that the evolution can be divided into two parts: (i) a pre-spreading phase, in which the jet core angle is roughly constant, $\theta_{c,0}$, and the shock Lorentz factor along the axis, $\Gamma_a$, evolves as a part of the Blandford-Mckee solution, and (ii) a spreading phase, in which $\Gamma_a$ drops exponentially with the radius and the core angle, $\theta_c$, grows rapidly. Nevertheless, the jet remains collimated during the relativistic phase, where $\theta_c(\Gamma_a\beta_a=1)\simeq 0.4\theta_{c,0}^{1/3}$. The transition between the phases takes place when $\Gamma_a\simeq 0.2\theta_{c,0}^{-1}$. We find that the "wings" of jets with initial "narrow" structure ($\frac{d \log\,E_{iso}}{d\log\,\theta}<-3$ outside of the core, where $E_{iso}$ is isotropic equivalent energy), start evolving during the pre-spreading phase. By the spreading phase these jets evolve to a self-similar profile, which is independent of the initial structure, where in the wings $\Gamma(\theta)\propto\theta^{-1.5}$ and $E_{iso}(\theta)\propto \theta^{-2.6}$. Jets with initial "wide" structure roughly keep their initial profile during their entire evolution. We provide analytic description of the jet lateral profile evolution for a range of initial structures, as well as the evolution of $\Gamma_a$ and $\theta_c$. For off-axis GRBs, we present a relation between the initial jet structure and the light curve rising phase. Applying our model to GW170817, we find that initially the jet had $\theta_{c,0}=0.4-4.5~\deg$ and wings which are consistent with $E_{iso} \propto \theta^{-3}-\theta^{-4}$.
主题: 高能天体物理现象 (astro-ph.HE)
引用方式: arXiv:2311.09297 [astro-ph.HE]
  (或者 arXiv:2311.09297v1 [astro-ph.HE] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2311.09297
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Ehud Nakar [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2023 年 11 月 15 日 19:00:04 UTC (1,263 KB)
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