[論文レビュー] Fermi/GBM observations of the ultra-long GRB 091024: A burst with an optical flash

D. Gruber, T. Krühler+28 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 52被引用数 29

ひとこと要約

本研究は、約1020秒にわたる超長継続時間のガンマ線バーストGRB 091024のFermi/GBM観測を分析し、顕著な光学フラッシュを示した。スペクトル解析と変動 timescale を用いて、著者らは逆シャワー光学フラッシュを特定し、ボリューム平均ローレンツ因子の下限値（Γ₀,min = 195⁺⁹⁰₋₁₁₀）を導出し、前方シャワーモデル（Γ₀ ≈ 120）と整合的であることを確認した。これは、極めて長い継続時間にもかかわらず、長継続ガンマ線バーストの物理と整合していることを裏付けている。

ABSTRACT

In this paper we examine gamma-ray and optical data of GRB 091024, a gamma-ray burst (GRB) with an extremely long duration of T90~1020 s, as observed with the Fermi Gamma-Ray Burst Monitor (GBM). We present spectral analysis of all three distinct emission episodes using data from Fermi/GBM. Because of the long nature of this event, many ground-based optical telescopes slewed to its location within a few minutes and thus were able to observe the GRB during its active period. We compare the optical and gamma-ray light curves. Furthermore, we estimate a lower limit on the bulk Lorentz factor from the variability and spectrum of the GBM light curve and compare it with that obtained from the peak time of the forward shock of the optical afterglow. From the spectral analysis we note that, despite its unusually long duration, this burst is similar to other long GRBs, i.e. there is spectral evolution (both the peak energy and the spectral index vary with time) and spectral lags are measured. We find that the optical light curve is highly anti-correlated to the prompt gamma-ray emission, with the optical emission reaching the maximum during an epoch of quiescence in the prompt emission. We interpret this behavior as the reverse shock (optical flash), expected in the internal-external shock model of GRB emission but observed only in a handful of GRBs so far. The lower limit on the initial Lorentz factor deduced from the variability time scale ($Γ_{min}=195_{-110}^+{90}$)is consistent within the error to the one obtained using the peak time of the forward shock ($Γ_0=120$) and is also consistent with Lorentz factors of other long GRBs.

研究の動機と目的

• T90 ≈ 1020 s である超長継続ガンマ線バーストGRB 091024のスペクトル的および時間的性質を、Fermi/GBMデータを用いて調査すること。
• 観測された光学フラッシュが、内部-外部シャワー模型における逆シャワー放射と整合するかを検証すること。
• プロンプトガンマ線放射の変動時間スケールから、最小ボリューム平均ローレンツ因子を推定し、前方シャワー後光のピーク時刻から導かれる値と比較すること。
• バーストがアマティ関係およびヨネトク関係における位置を評価し、標準的なガンマ線バースト相関と整合しているかを検討すること。
• 特に長継続バーストにおいて、観測的制約がガンマ線バーストパラメータ推定に与える影響を評価すること。

提案手法

• Fermi/GBMエネルギー範囲（8 keV–40 MeV）内で、3つの異なる放射エピソードのスペクトル解析を、時間分解フィッティングを用いてE_peakとスペクトル指数を決定する。
• エネルギー帯間のスペクトルラグの計算により、放射の物理的性質と時間的構造を評価する。
• GBM光曲線における検出可能な最小変動時間スケールを用いて、Lithwick & Sari (2001) の関係式 Δt ≥ 2R/(Γ²c) からボリューム平均ローレンツ因子の下限値を推定する。
• 変動から導かれたローレンツ因子と、均質な星間物質を想定したMolinariら（2007）のモデルを用いて前方シャワー後光ピーク時刻から推定された値を比較する。
• 時間積分スペクトルフィッティングにより、E_peak,iso および E_iso を計算し、アマティ関係（E_peak,rest 対 E_iso）への配置を求める。
• Sonoita、Faulkes North、Super-LOTIS望遠鏡の光学光曲線をガンマ線放射と照合し、反比例関係とフラッシュ解釈の妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 091024における観測された光学フラッシュは、内部-外部シャワー模型によって予測される逆シャワー放射と整合するか？
• RQ2 プロンプトガンマ線放射の変動時間スケールから制限される、出流の最小ボリューム平均ローレンツ因子は何か？
• RQ3 変動から導かれたローレンツ因子は、前方シャワー後光ピーク時刻から導かれた値とどのように比較されるか？
• RQ4 GRB 091024はアマティ関係またはヨネトク関係において外れ値であるか？もしそうであれば、これは観測的制限によるものか、本質的性質によるものか？
• RQ5 可視性および機器感度の制限が、経験的関係における長継続ガンマ線バーストの解釈に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• バーストはスペクトルの進化と測定可能なスペクトルラグを示しており、T90 ≈ 1020 s という超長継続時間にもかかわらず、長継続ガンマ線バーストとしての分類が確認された。
• 光学光曲線は、プロンプトガンマ線放射と強く反比例しており、最初の光学ピークがガンマ線光曲線の静穏期に重なっていることから、逆シャワーフラッシュと整合的である。
• 変動時間スケールから導かれたボリューム平均ローレンツ因子の下限値は Γ₀,min = 195⁺⁹⁰₋₁₁₀ であり、前方シャワー後光ピーク時刻から導かれた Γ₀ ≈ 120 と整合的である。
• 時間積分された E_peak,rest = 315⁺⁴³₋₃₂ keV および E_iso = 3.5 × 10⁵³ erg により、GRB 091024はアマティ関係の散乱内に位置づけられるが、ヨネトク関係では1σ以上外れの外れ値である。
• エピソードIおよびIIだけでは、観測時間の制限によりアマティ関係の外れ値と分類されていたため、完全にサンプリングされない場合の誤分類リスクが浮き彫りになった。
• バーストの挙動およびパラメータは、他の長継続ガンマ線バーストと整合的であり、超長継続時間が根本的に異なる放射メカニズムを示すものではないことが示された。