[論文レビュー] A New Derivation of GRB Jet Opening Angles from the Prompt Gamma-Ray Emission

A. Goldstein, R. D. Preece+25 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、後光観測の必要を回避するために、僅かに$E_{\text{peak}}$とフラーネンスのみを用いて、ガンマ線バースト（GRB）のジェット開口角を直接導出する新規手法を提示する。この手法により、静止系$E_{\text{peak}}$と収束補正エネルギー$E_{\gamma}$との間によりきつい相関が得られ、長期間GRBと短期間GRBが一つのべき乗則関係に位置づけられ、いくつかのバーストに対して原始的磁気星母天体の存在を排除する。

ABSTRACT

The jet opening angle of gamma-ray bursts (GRBs) is an important parameter for determining the characteristics of the progenitor, and the information contained in the opening angle gives insight into the relativistic outflow and the total energy that is contained in the burst. Unfortunately, a confident inference of the jet opening angle usually requires broadband measurement of the afterglow of the GRB, from the X-ray down to the radio and from minutes to days after the prompt gamma-ray emission, which may be difficult to obtain. For this reason, very few of all detected GRBs have constrained jet angles. We present an alternative approach to derive jet opening angles from the prompt emission of the GRB, given that the GRB has a measurable Epeak and fluence, and which does not require any afterglow measurements. We present the distribution of derived jet opening angles for the first two years of the Fermi Gamma-ray Burst Monitor (GBM) operation, and we compare a number of our derived opening angles to the reported opening angles using the traditional afterglow method. We derive the collimation-corrected gamma-ray energy, E_γ, for GRBs with redshift and find that some of the GRBs in our sample are inconsistent with a proto-magnetar progenitor. Finally, we show that the use of the derived jet opening angles results in a tighter correlation between the rest-frame Epeak and E_γ than has previously been presented, which places long GRBs and short GRBs onto one empirical power law.

研究の動機と目的

• 後光データに依存しないGRBジェット開口角の推定手法の開発を目的とする。後光データはしばしば入手不能である。
• 赤方偏移が分かっているGRBに対して、プロンプト放射パラメータのみを用いて収束補正ガンマ線エネルギー$E_{\text{gamma}}$を計算可能にする。
• 長期間GRBと短期間GRBが$E_{\text{peak}}$–$E_{\gamma}$空間で一つの経験的べき乗則関係に従うかどうかを検証する。
• 導出された$E_{\text{gamma}}$値を用いて、特定のGRBにおける原始的磁気星母天体の妥当性を評価する。

提案手法

• 本手法は、フェルミ-GBMのプロンプト放射データから得られる観測$E_{\text{peak}}$とフラーネンスを入力とし、相対論的ビーム効果とエネルギー保存則に基づいて導出された物理的スケーリング関係を用いて、ジェット開口角を推定する。
• プロンプト放射スペクトルがバンド関数に従うと仮定し、観測ピークエネルギーと全フラーネンスに基づく幾何的補正を適用して、ジェットの収束を推定する。
• 導出された開口角を用いて、赤方偏移が既知であると仮定して、収束補正された等方的エネルギー$E_{\gamma}$を計算する。
• 本手法は、後光光曲線からの独立的なジェット角測定がなされたGRBサブセットを用いてキャリブレーションされ、その正確性が検証された。
• 従来のアンサンブル手法とは異なり、擬似赤方偏移やラグ-全放射度関係に依存しない。
• 硬いスペクトルカットオフが$E_{\text{peak}}$–フラーネンス平面に現れるのは機器依存性がなく、ジェット構造に関連する物理的起源であることを活用している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 後光データに依存せず、プロンプト放射のみからジェット開口角を信頼性高く推定できるか？
• RQ2 導出された$E_{\text{peak}}$–$E_{\gamma}$関係は、長期間および短期間GRBを一つのべき乗則で統一的に記述できるか？
• RQ3 どのGRB母天体モデルが導出された$E_{\gamma}$値と整合しないか？
• RQ4 幾何的視線角効果は、$E_{\gamma}$推定値の正確性にどのように影響するか？

主な発見

• プロンプト放射からの導出されたジェット開口角は、サブセットのGRBについて、従来の後光モデリングで得られた値と良好に一致した。
• 本手法は、擬似赤方偏移や追加の仮定を必要とせず、個々のバーストの既知のジェット角を正確に再現できた。
• 静止系$E_{\text{peak}}$と$E_{\gamma}$との間にきつい相関が観測され、長期間および短期間GRBが一つのべき乗則関係上に位置づけられた。
• 5つの長期間GRB（080916C, 080810, 090323, 090519, 090902B）および1つの短期間GRB（090510）は、導出された$E_{\gamma}$値に基づき、原始的磁気星母天体モデルと整合しないと判明した。
• 小開口角の長期間GRBに対して、視線角オフセット効果が最小限であるため、$E_{\gamma}$推定値の不確実性が低減された。
• 本手法により、赤方偏移が不明なGRBに対しても$E_{\gamma}$推定が可能となり、$E_{\text{peak}}$–$E_{\gamma}$関係を用いた赤方偏移分布の外挿が可能になる可能性を示した。