[論文レビュー] A delayed 400 GeV photon from GRB 221009A and implication on the intergalactic magnetic field

Zi-Qing Xia, Yun Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、GRB 221009Aのトリガーから0.4日後にフェルミ-LATが検出した遅延した400 GeVの光子が、バーストから発せられた主成分の約10 TeVの光子によって引き起こされた電磁カスケードの一部であると提案している。観測された時間遅れは、銀河間磁場（IGMF）の強度が $ B_{\text{IGMF}} \sim 4 \times 10^{-17} \, \text{G} $ であることを示唆しており、これはTeVレベルのブラザールからの制約と整合しており、近い将来のCTA観測によって検証可能である。

ABSTRACT

Large High Altitude Air Shower Observatory has detected $0.2-13$ TeV emission of GRB 221009A within 2000 s since the trigger. Here we report the detection of a 400 GeV photon, without accompanying prominent low-energy emission, by Fermi Large Area Telescope in this direction with a 0.4 days' delay. Given an intergalactic magnetic field strength of about $4 imes 10^{-17}$ G, which is comparable to limits from TeV blazars, the delayed 400 GeV photon can be explained as the cascade emission of about 10 TeV gamma rays. We estimate the probabilities of the cascade emission that can result in one detectable photon beyond 100 GeV by Fermi Large Area Telescope within $0.3-1$ days is about 2$\%$ whereas it is about 20.5$\%$ within $0.3-250$ days. Our results show that Synchrotron Self-Compton explanation is less favored with probabilities lower by a factor of about $3-30$ than the cascade scenario.

研究の動機と目的

• 強力で低赤方偏移のGRBからの遅延した高エネルギーγ線放射を用いて、銀河間磁場（IGMF）の強度を調べること。
• GRB 221009Aの後光放射期間に観測された400 GeVの光子が、主成分のTeV光子からの電磁カスケードによって説明可能かどうかを特定すること。
• 二次カスケード光子の到着時間遅れを用いてIGMF強度を制約すること。バーストの高輝度と低赤方偏移（z = 0.151）を活用する。
• 推定されたIGMF強度が、既存のTeVブラザール観測からの制約と整合的であるかを評価すること。また、将来のCTAのような装置による観測でその値をどのように検証できるかを予測すること。

提案手法

• フェルミ-GBMトリガー後1日間のフェルミ-LAT Pass 8 R3データを、GRB 221009Aの方向に限定して、500 MeV～1 TeVのエネルギー範囲で分析する。
• IGMFが存在する中で、GRB 221009Aから発せられる主成分の約10 TeVの光子によって引き起こされる電磁カスケードを、Elmag 3.03パッケージを用いてシミュレートする。
• カスケード過程をモデル化する：主成分のTeV光子が宇宙背景放射光に吸収され、超相対論的電子・陽電子対が生成され、それらがCMB光子をGeV～TeVエネルギーにアップスキャッタリングする。
• IGMFによる電子・陽電子対の偏光に起因する二次光子の時間遅れを、1 Mpcのコherencyスケールを仮定して計算する。
• シミュレートされたカスケード放射度とフェルミ-LATの観測結果を比較し、特にトリガー後約33,554秒に観測された1つの397.7 GeV光子（0.3～1日間の窓内）に注目する。
• 10 TeVで指数的カットオフを持つパワー法則スペクトルと、放射量が約10⁻⁴ TeV cm⁻²の前提で、異なるIGMF仮定下でのこの光子の検出確率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ-LATがGRB 221009Aから0.4日後に観測した遅延した400 GeV光子は、主成分のTeV光子からの電磁カスケードによって説明可能か？
• RQ2 GRB 221009Aからの二次カスケード光子が約0.4日遅れるようにするには、どの程度のIGMF強度が必要か？
• RQ3 観測されたカスケード放射と、シンクロtron自己コンプトン放射のような非カスケード放射モデルとの比較は、どのように示されるか？
• RQ4 推定されたIGMF強度（約4×10⁻¹⁷ G）は、既存のTeVブラザール観測からの制約と整合的か？
• RQ5 近い将来のCTAのような装置が、GRB 221009Aのような明るいTeV源を長期間観測することで、推定されたIGMF値を信頼性高く検証可能か？

主な発見

• フェルミ-GBMトリガー後約33,554秒（0.3～1日後）に観測された1つの397.7 GeV光子は、シンクロtron自己コンプトン放射のような標準的な後光放射モデルとは整合しない。
• 400 GeV光子の観測された時間遅れ（約0.4日）は、主成分の約10 TeV光子からの電磁カスケードによって最もよく説明され、その遅れはIGMFによる電子・陽電子対の偏光に起因する。
• 1 Mpcのコherencyスケールを仮定した場合、観測された到着時刻を再現するには $ B_{\text{IGMF}} \sim 4 \times 10^{-17} \, \text{G} $ のIGMF強度が必要である。
• このIGMF下で100 GeV以上の光子を1つ検出する確率は約1%であるため、この検出は偶然に起因するものと整合的だが、より低いまたはより高いIGMF値では不自然に低い可能性がある。
• IGMFが10⁻¹⁷ G未満の場合、高エネルギーのカスケード放射が増幅されるが、フェルミ-LATデータにおける他の光子の非検出により、これは除外される。
• IGMFが10⁻¹⁶ Gを超える場合、100 GeV以上のカスケード放射が抑制され、観測された光子放射度と矛盾するため、$ B_{\text{IGMF}} \sim 4 \times 10^{-17} \, \text{G} $ が支持される。