Shock acceleration in gamma-ray bursts

Martin Lemoine; Guy Pelletier

doi:10.1016/j.crhy.2011.01.011

Shock acceleration in gamma-ray bursts
[Accélération de choc dans des sursauts gamma]

Martin Lemoine ¹ ; Guy Pelletier ²

¹ Institut dʼastrophysique de Paris, CNRS – université Pierre and Marie Curie, 98, bis boulevard Arago, 75014 Paris, France
² Laboratoire dʼastrophysique de Grenoble, CNRS – université Joseph-Fourier II, BP 53, 38041 Grenoble, France

Comptes Rendus. Physique, Volume 12 (2011) no. 3, pp. 234-245.

Résumé
Abstract

Lʼétude des sursauts gamma offre une perspective unique sur la physique des processus dʼaccélération dans les objets astrophysiques. Sources de photons gamma de haute énergie, les sursauts gamma sont probablement des sources de rayons cosmiques, peut-être même des fameux rayons cosmiques dʼultra-haute énergie ; et ils pourraient bien être les sources les plus puissantes de neutrinos de haute énergie. Lʼinteraction du flot relativiste produit par lʼexplosion avec le milieu extérieur déclenche une onde de choc ultra-relativiste qui convertit lʼénergie cinétique dʼensemble en énergie désordonnée de particules. Ce mécanisme conduit in fine aux remarquables distributions de photons en loi de puissances de la phase de rémanence du sursaut. Lʼémission prompte pourrait résulter dʼinteractions similaires entre perturbations animées de vitesses relatives modérément relativistes à lʼintérieur du flot. Pour autant, le mécanisme fondamental dʼaccélération nʼest pas compris dans ses détails. Ce chapitre discute des avancées récentes sur lʼaccélération de particules autour des ondes de chocs relativistes et du lien avec la phénoménologie des sursauts gamma. On discute en particulier le lien intime qui relie les micro-instabilités électromagnétiques en amont du choc non collisionnel aux particules accélérées. Ce chapitre discute brièvement lʼaccélération de particules aux ultra-hautes énergies ainsi que la génération possible dʼun fond de neutrinos de très haute énergie. Enfin, on conclut par une liste de questions ouvertes et quelques perspectives.

Gamma-ray bursts offer a rather unique window on the fundamental astrophysics of particle acceleration. Sources of high-energy gamma rays, they are also likely sources of cosmic rays, possibly of the so-called ultra-high energy cosmic rays, and they may well turn out to be the strongest sources of high energy neutrinos. Through the interaction of their outflow with the circum-burst medium, these explosions generate ultra-relativistic shock waves that convert part of the bulk kinetic energy into particle energy, ultimately giving rise to the impressive photon power law spectra of the afterglow. The prompt emission may well occur through the interactions of disturbances moving with mildly relativistic relative velocity within the flow itself. However, the detailed acceleration mechanism is not yet understood. This chapter discusses the progress made in the past decade in our understanding of relativistic shock acceleration and its relation to gamma-ray burst phenomenology. It notably discusses the intimate relationship between the electromagnetic micro-instabilities upstream of the collisionless shock and the accelerated particles. It also briefly discusses the possibility of accelerating particles to ultra-high energies and the production of secondary neutrino signals. It concludes with a list of open questions and some perspectives.

Publié le : 2011-03-09

DOI : 10.1016/j.crhy.2011.01.011

Keywords: Gamma-ray bursts, Particle acceleration, Shock waves
Mot clés : Sursauts gamma, Accélération de particules, Ondes de choc

Affiliations des auteurs :

Martin Lemoine ¹ ; Guy Pelletier ²

¹ Institut dʼastrophysique de Paris, CNRS – université Pierre and Marie Curie, 98, bis boulevard Arago, 75014 Paris, France
² Laboratoire dʼastrophysique de Grenoble, CNRS – université Joseph-Fourier II, BP 53, 38041 Grenoble, France

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Martin Lemoine; Guy Pelletier. Shock acceleration in gamma-ray bursts. Comptes Rendus. Physique, Volume 12 (2011) no. 3, pp. 234-245. doi : 10.1016/j.crhy.2011.01.011. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2011.01.011/

Bibliographie
Cité par

[1] T. Piran Rev. Mod. Phys., 76 (2005), p. 1143

[2] M. Lyutikov; R. Blandford, 2003 (eprint) | arXiv

[3] R. Narayan; P. Kumar Month. Not. Roy. Astron. Soc., 394 (2009), p. 117

[4] F.M. Rieger; P. Duffy Astrophys. J., 632 (2005), p. L21

[5] E. Fermi Phys. Rev., 75 (1949), p. 1169

[6] G. Pelletier Astron. Astrophys., 350 (1999), p. 705

[7] V.S. Berezinskii; S.V. Bulanov; V.A. Dogiel; V.S. Ptuskin Astrophysics of Cosmic Rays, North-Holland, 1990

[8] F. Aharonian; et al.; HESS Collaboration Nature, 432 (2004), p. 75

[9] F. Aharonian; et al.; HESS Collaboration Astron. Astrophys., 516 (2010), p. 62

[10] E.G. Berezhko; L.T. Ksenofontov; H.J. Völk Astron. Astrophys., 505 (2009), p. 169

[11] A.R. Bell Month. Not. Roy. Astron. Soc., 182 (1978), p. 147

[12] R. Blandford; D. Eichler Phys. Rep., 154 (1987), p. 1

[13] P.-O. Lagage; C. Césarsky Astron. Astrophys., 125 (1983), p. 249

[14] D.C. Ellison; D. Eichler Phys. Rev. Lett., 55 (1985), p. 2735

[15] E.G. Berezhko; L.T. Ksenofontov; H.J. Völk Astron. Astrophys., 412 (2003), p. L11

[16] I. Lerche Astrophys. J., 147 (1967), p. 689

[17] A. Bell Month. Not. Roy. Astron. Soc., 353 (2004), p. 550

[18] G. Pelletier; M. Lemoine; A. Marcowith Astron. Astrophys., 453 (2006), p. 181

[19] V.N. Zirakashvili; V.S. Ptuskin; H.J. Völk Astrophys. J., 678 (2008), p. 255

[20] V.N. Zirakashvili; V.S. Ptuskin Astrophys. J., 678 (2008), p. 939

[21] Y. Gallant; A. Achterberg Month. Not. Roy. Astron. Soc., 305 (1999), p. L6

[22] A. Achterberg; Y. Gallant; J.G. Kirk; A.W. Guthmann Month. Not. Roy. Astron. Soc., 328 (2001), p. 393

[23] L. Sironi; A. Spitkovski, 2010 (eprint) | arXiv

[24] K.R. Ballard; A.F. Heavens Month. Not. Roy. Astron. Soc., 259 (1992), p. 89

[25] J. Bednarz; M. Ostrowski Phys. Rev. Lett., 80 (1998), p. 3911

[26] M. Lemoine; G. Pelletier Astrophys. J., 589 (2003), p. L73

[27] D.C. Ellison; G.P. Double Astropart. Phys., 22 (2004), p. 323

[28] J. Niemiec; M. Ostrowski Astrophys. J., 610 (2004), p. 851

[29] M. Lemoine; B. Revenu Month. Not. Roy. Astron. Soc., 366 (2006), p. 635

[30] J. Kirk; A. Guthmann; Y. Gallant; A. Achterberg Astrophys. J., 542 (2000), p. 235

[31] U. Keshet; E. Waxman Phys. Rev. Lett., 94 (2005), p. 111102

[32] J. Niemiec; M. Ostrowski Astrophys. J., 641 (2006), p. 984

[33] J. Niemiec; M. Ostrowski; M. Pohl Astrophys. J., 650 (2006), p. 1020

[34] M. Lemoine; G. Pelletier; B. Revenu Astrophys. J., 645 (2006), p. L129

[35] M.C. Begelman; J.G. Kirk Astrophys. J., 353 (1990), p. 66

[36] E. Waxman Astrophys. J., 485 (1997), p. L5

[37] R.A.M.J. Wijers; T.J. Galama Astrophys. J., 523 (1999), p. 177

[38] Z. Li; E. Waxman Astrophys. J., 651 (2006), p. L328

[39] Z. Li, 2010 (eprint) | arXiv

[40] G. Pelletier; M. Lemoine; A. Marcowith Month. Not. Roy. Astron. Soc., 393 (2009), p. 587

[41] M. Milosavljević; E. Nakar Astrophys. J., 651 (2006), p. 979

[42] A. Spitkovsky AIP Conf. Proc., 801 (2005), p. 345

[43] A. Spitkovsky Astrophys. J., 682 (2008), p. L5

[44] T.N. Kato Astrophys. J., 668 (2007), p. 974

[45] P. Chang; A. Spitkovsky; J. Arons Astrophys. J., 674 (2008), p. 378

[46] M.E. Dieckmann; P.K. Shukla; L.O.C. Drury Astrophys. J., 675 (2008), p. 586

[47] K.-I. Nishikawa; J. Niemiec; P.E. Hardee; M. Medvedev; H. Sol; Y. Mizuno; B. Zhang; M. Pohl; M. Oka; D.H. Hartmann Astrophys. J., 698 (2009), p. L10

[48] U. Keshet; B. Katz; A. Spitkovsky; E. Waxman Astrophys. J., 693 (2009), p. L127

[49] T. Haugboelle, 2010 (eprint) | arXiv

[50] L. Sironi; A. Spitkovski Astrophys. J., 698 (2009), p. 1523

[51] M.V. Medvedev; A. Loeb Astrophys. J., 526 (1999), p. 697

[52] J. Wiersma; A. Achterberg Astron. Astrophys., 428 (2004), p. 365

[53] Y. Lyubarsky; D. Eichler Astrophys. J., 647 (2006), p. L1250

[54] A. Achterberg; J. Wiersma Astron. Astrophys., 475 (2007), p. 1

[55] A. Bret Astrophys. J., 699 (2009), p. 990

[56] A. Bret; M.-C. Firpo; C. Deutsch Phys. Rev. Lett., 94 (2005), p. 115002

[57] M. Lemoine; G. Pelletier Month. Not. Roy. Astron. Soc., 402 (2010), p. 321

[58] B. Reville; J.G. Kirk; P. Duffy Plasma Phys. Contr. Fus., 48 (2006), p. 1741

[59] M. Hoshino; J. Arons Phys. Fluids B, 3 (1991), p. 818

[60] T. Tajima; J.M. Dawson Phys. Rev. Lett., 43 (1979), p. 267

[61] Y. Lyubarsky Astrophys. J., 652 (2006), p. 1297

[62] M. Hoshino Astrophys. J., 672 (2008), p. 940

[63] M.V. Medvedev Astrophys. J., 540 (2000), p. 704

[64] L. Sironi; J. Goodman Astrophys. J., 671 (2007), p. 1858

[65] A. Levinson Astrophys. J., 705 (2009), p. L213

[66] W. Zhang; A. MacFadyen; P. Wang Astrophys. J., 692 (2009), p. L40

[67] A. Gruzinov; E. Waxman Astrophys. J., 511 (1999), p. 852

[68] A. Abdo; et al.; Fermi Collaboration Science, 323 (2009), p. 1688

[69] X.-Y. Wang; Z. Li; Z.-G. Dai; P. Mészáros Astrophys. J., 698 (2009), p. L98

[70] E. Waxman Phil. Trans. Roy. Soc. A, 365 (2007), p. 1323

[71] E. Waxman Lect. Notes Phys., 576 (2001), p. 122

[72] R. Abbasi; et al.; Ice Cube Collaboration Astrophys. J., 710 (2010), p. 346

[73] E. Waxman; J. Bahcall Phys. Rev. D, 59 (1999), p. 023002

[74] K. Murase Phys. Rev. D, 76 (2007), p. 123001

[75] M. Milgrom; V. Usov Astrophys. J., 449 (1995), p. L37

[76] M. Vietri Astrophys. J., 478 (1995), p. L9

[77] E. Waxman Phys. Rev. Lett., 75 (1995), p. 386

[78] B. Katz; R. Budnik; E. Waxman J. Cosmol. Astropart. Phys., 03 (2009), p. 020

[79] D. Eichler; D. Guetta; M. Pohl, 2010 (eprint) | arXiv

[80] C.D. Dermer; S. Razzaque, 2010 (eprint) | arXiv

[81] C.D. Dermer; M. Humi Astrophys. J., 556 (2001), p. 479

[82] D. Gialis; G. Pelletier Astron. Astrophys., 425 (2004), p. 395

[83] D. Gialis; G. Pelletier Astron. Astrophys., 627 (2005), p. 868

[84] C.D. Dermer Astrophys. J., 664 (2007), p. 384

[85] E. Waxman Phys. Script. T, 121 (2005), p. 147

[86] M. Lyutikov; R. Ouyed Astropart. Phys., 27 (2007), p. 473

[87] M. Lemoine; E. Waxman J. Cosmol. Astropart. Phys., 11 (2009), p. 009

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