[論文レビュー] A long optical plateau in the afterglow of the Extended Emission short GRB 150424A: Evidence for energy injection by a magnetar?

F. Knust, J. Greiner+15 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 66被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、延長放射を示す短時間ガンマ爆発GRB 150424Aの多バンド観測を提示し、約8時間にわたる継続的な光学プラトーが観測された。データは磁星中心エンジンからのエネルギー注入を強く支持しており、回転減速エネルギーを放射に変換する際の効率が少なくとも4%である必要がある。これは、短時間GRBにおける磁星駆動後発光の主要な証拠を示している。

ABSTRACT

Short-duration GRBs with extended emission form a subclass of short GRBs, comprising about 15% of the short-duration sample. Afterglow detections of short GRBs are also rare (about 30%) due to their smaller luminosity. We present a multi-band data set of the short burst with extended emission GRB 150424A, comprising of GROND observations, complemented with data from Swift/UVOT, Swift/XRT, HST, Keck/LRIS and data points from the literature. The GRB 150424A afterglow shows an extended plateau phase, lasting about 8hrs. The analysis of this unique GRB afterglow might shed light on the understanding of afterglow plateau emission, the nature of which is still under debate. We present a phenomenological analysis by applying fireball closure relations, and interpret the findings in the context of the fireball model. We discuss the plausibility of a magnetar as a central engine, being responsible for additional and prolonged energy injection into the fireball. We find convincing evidence for energy injection into the afterglow of GRB 150424A. We find that a magnetar spin down as source for a prolonged energy injection requires that at least 4% of the spin-down energy is converted to radiation.

研究の動機と目的

• GRB 150424Aの多バンド後発光を分析すること。これは、希少な光学プラトー放射を示す延長放射を伴う短時間ガンマ爆発である。
• プラトー期の物理的起源を特定すること。これは、標準的な火球モデルの予測に反する。
• 磁星中心エンジンが、後発光光曲線で観測された継続的なエネルギー注入を説明できるかどうかを検証すること。
• 磁星の回転減速エネルギーから観測可能な後発光放射へのエネルギー変換効率を制約すること。

提案手法

• 火球モデルの閉じ込め関係を適用し、光学、紫外、X線バンドにおける後発光光曲線の時間的・スペクトル的進化を解釈した。
• GROND、Swift/UVOT、Swift/XRT、HST、Keck/LRIS、および文献からの複数機器のデータを用いて、高時間分解能・多波長光曲線を構築した。
• 3つの物理的状況を評価した：ISM内での遅い冷却、ウィンド内での遅い冷却、およびエネルギー注入を伴う均一で拡散しないジェット。
• シンクロtron放射スペクトルにフィットして、ブレーク周波数（νm、νc）を決定し、スペクトル状態の整合性を評価した。
• 磁星の回転減速をエネルギー源と仮定し、観測されたプラトーに一致するためのエネルギー注入効率（η12）を計算した。
• モデル予測を観測光曲線と比較し、すべてのバンドおよび時間スケールで最も整合性の高い状況を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な火球モデルのシナリオは、GRB 150424Aの後発光における長期間の光学プラトーを説明できるか？
• RQ2 観測された後発光光曲線を説明するためにエネルギー注入が必要であるか。もしそうなら、そのエネルギー供給の物理的メカニズムは何か？
• RQ3 データは、継続的なエネルギー注入を引き起こす磁星を中央エンジンとして支持しているか？
• RQ4 磁星の回転減速光度から後発光放射へのエネルギー変換に必要な効率は何か？
• RQ5 初期のジェット行動は、ジェット開口角およびビーミング補正エネルギー出力について何を示唆しているか？

主な発見

• GRB 150424Aの後発光は、約8時間にわたる長期間の光学プラトーを示しており、これは短時間GRBにおいては稀である。
• エネルギー注入なしの標準的火球モデル（ISM内での遅い冷却、ウィンド環境内での遅い冷却）は、観測された光曲線およびスペクトル的挙動を説明できない。
• 一定のエネルギー注入を伴う均一で拡散しないジェット（ISM内）が、すべての観測バンドで最も整合性の高い説明である。
• 磁星の回転減速光度から後発光放射へのエネルギー変換に必要な効率はη12 ≥ 4%であり、非常に高い効率のエネルギー転送メカニズムを示している。
• プラトー期は約10^4秒にわたる。エネルギー注入の大きさは、プロンプト爆発放出と同程度であり、要因2以内の範囲である。
• ジェット行動は観測開始直後（約200秒以内）に顕著であり、極めて狭いジェット開口角を示しており、ビーミング補正エネルギー出力は磁星が発生可能な最大値の20分の1未満である。