[論文レビュー] Can an Off-axis Gamma-Ray Burst Jet in GW170817 Explain All the Electromagnetic Counterparts?

Kunihito Ioka, Takashi Nakamura|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 23被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、GW170817における1つの非対称位置のガンマ線バースト（GRB）ジェットが、すべての観測された電磁的対応物——sGRB 170817A、青色のマクロノーバ、およびX線／電波後の輝光——を説明できるかを調査する。相対論的ジェットモデルを用い、全方向エネルギー~10⁵¹–10⁵² erg、開口角~20°、観測角度~30°として、全波長帯域で一貫した放射を示し、ジェット駆動型ココンが噴出物を0.3–0.4cまで加速させ、後の輝光から推定される低密度の周囲環境（~10⁻³–10⁻⁶ cm⁻³）を示している。

ABSTRACT

Gravitational waves from a merger of two neutron stars (NSs) were discovered for the first time in GW170817, together with diverse electromagnetic (EM) counterparts. To make constraints on a relativistic jet from the NS merger, we calculate the EM signals in (1) the short gamma-ray burst sGRB 170817A from an off-axis jet, (2) the optical-infrared macronova (or kilonova), especially the blue macronova, from a jet-powered cocoon, and (3) the X-ray and radio afterglows from the interaction between the jet and interstellar medium. We find that a typical sGRB jet is consistent with these observations, and there is a parameter space to explain all the observations in a unified fashion with an isotropic energy $\sim 10^{51}$-$10^{52}$ erg, opening angle $\sim 20^{\circ}$, and viewing angle $\sim 30^{\circ}$. The off-axis emission is less de-beamed than the point-source case because the viewing angle is comparable to the opening angle. We also analytically show that the jet energy accelerates a fair fraction of the merger ejecta to a sub-relativistic velocity $\sim 0.3$-$0.4$c as a cocoon in a wide parameter range. The ambient density might be low $\sim 10^{-3}$-$10^{-6}$ cm$^{-3}$, which can be tested by future observations of radio flares and X-ray remnants.

研究の動機と目的

• 1つの非対称位置のGRBジェットが、GW170817で観測されたすべての電磁的対応物を説明できるかどうかを特定すること。
• 観測されたsGRB、マクロノーバ、および後の輝光の光曲線を再現できるジェットパラメータ（全方向エネルギー、開口角、観測角度）を制限すること。
• ジェット駆動型ココンが準相対論的噴出物を加速させ、青色マクロノーバの放射を生じる役割を評価すること。
• X線および電波後の輝光の減衰行動から、周囲星間物質密度にどのような制限を課せられるかを導出すること。

提案手法

• 共動フレームで破綻したべき乗則スペクトル（バンド型）を持つ相対論的ジェットを用いて、非対称位置のGRB放射をモデリングし、スペクトル指数α_B = -1、β_B = -2.2、s = 1とする。
• ローレンツ因子Γと観測角度θ_vを用いて、相対論的ビーム効果とドップラー補正を考慮し、観測者側の視角における全方向エネルギーを時間積分輝度から計算する。
• ジェットの角広がりΔθと観測者の位置を考慮し、ジェット発光領域からの光の伝播時間に基づいて、時間積分の上限T_startとT_endを導出する。
• ドッパー係数δ(θ_v) = 1/[Γ(1 - β cos θ_v)]と、異なる観測領域に対応する修正版˜δ(θ_v)を用い、θ_vにわたる輝度スケーリングを計算する。
• 解析的スケーリング則を適用し、θ_v < ΔθではE_iso(θ_v) ∝ 定数、Δθ < θ_v ≲ 2ΔθではE_iso(θ_v) ∝ ˜δ(θ_v)²、θ_v ≳ 2ΔθではE_iso(θ_v) ∝ δ(θ_v)³となることを示す。
• ジェット-ココン相互作用をモデリングし、ココンの運動エネルギーと速度を推定し、広範なパラメータ範囲で0.3–0.4cの準相対論的噴出物が生成されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの非対称位置のGRBジェットが、GW170817における観測された短時間ガンマ線バーストsGRB 170817A、青色マクロノーバ、およびX線・電波後の輝光を説明できるか？
• RQ2 全方向エネルギー、開口角、観測角度といったジェットパラメータのどの範囲が、sGRB、マクロノーバ、および後の輝光のすべての電磁的対応物を同時に再現できるか？
• RQ3 ジェットはどのようにしてココンを介して噴出物を準相対論的速度（0.3–0.4c）まで加速させ、このメカニズムがジェットおよび周囲環境の広範なパラメータ範囲で一貫性を持つのか？
• RQ4 観測されたX線および電波後の輝光の光曲線から、星間物質密度にどのような制限を課せられるか？
• RQ5 観測角度がジェット開口角と同等である場合、観測された全方向エネルギーにどのような影響を与えるか？

主な発見

• 全方向エネルギー~10⁵¹–10⁵² erg、開口角~20°、観測角度~30°の典型的な非対称位置のGRBジェットは、sGRB 170817A、青色マクロノーバ、およびX線・電波後の輝光を同時に説明できる。
• 観測角度（~30°）がジェット開口角（~20°）と同等であるため、点源近似よりも非対称位置放射が非ビーム化されにくく、検出可能性が向上する。
• ジェット駆動型ココンは、広範なパラメータ範囲で、重要な割合の合体噴出物を0.3–0.4cの準相対論的速度まで効率的に加速する。
• 後の輝光の減衰行動から、周囲星間物質密度は低く、~10⁻³–10⁻⁶ cm⁻³に制限される。これは将来的な電波およびX線観測で検証可能である。
• 全方向エネルギーE_iso(θ_v)の解析的スケーリングは、明確な領域に分けられる：θ_v < Δθでは一定、Δθ < θ_v ≲ 2Δθでは˜δ(θ_v)²に比例、θ_v ≳ 2Δθではδ(θ_v)³に比例する。後者は非対称位置観測者にとって最も関連性が高い。
• モデルは、マクロノーバの放射度がr過程崩壊によるものだけではなく、ジェット駆動型ココンの加熱に起因する可能性を示唆しており、キリノーバ放射に寄与する代替エネルギー源が存在する可能性を示唆している。