[論文レビュー] Gamma-ray burst afterglows and evolution of postburst fireballs with energy injection from strongly magnetic millisecond pulsars

Z. G. Dai, T. Lu|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 74

ひとこと要約

本論文は、ガンマ爆発（GRB）後の放射、特にGRB970228の光学光曲線が、強い磁場を持つミリ秒パルサーからの磁気双極子放射によって駆動される相対論的火球に起因すると提案する。このモデルは、火球の減速を変化させるエネルギー注入によって、観測された光曲線（初期低下、平坦化、最終的低下）を説明する。制約条件から、パルサー周期は1.4–1.7 ms、表面磁場は20–30×10¹² Gと推定される。

ABSTRACT

Millisecond pulsars with strong magnetic fields may be formed through several processes, e.g. accretion-induced collapse of magnetized white dwarfs, merger of two neutron stars. During the birth of such a pulsar, an initial fireball available for a gamma-ray burst (GRB) may occur. We here study evolution of a postburst relativistic fireball with energy injection from the pulsar through magnetic dipole radiation, and find that the magnitude of the optical afterglow from this fireball first decreases with time, subsequently flattens, and finally declines again. This may provide a natural explanation for the behavior of the lightcurve of the afterglow of GRB970228 if this burst resulted from the birth of a strongly magnetic millisecond pulsar.

研究の動機と目的

• GRB970228の複雑な光学的後光曲線（初期低下、平坦化、最終的低下を示す）を説明すること。
• 磁気双極子放射による新生の強い磁場を持つミリ秒パルサーからのエネルギー注入が、観測された後光の進化を説明できるかどうかを調査すること。
• 観測された後光データに基づいて、中心エンジンの物理的パラメータ（特にパルサー周期、磁場強度、慣性モーメント）を制約すること。
• パルサー駆動火球が宇宙論的ガンマ爆発の中心エンジンモデルとして妥当かどうかを評価すること。

提案手法

• 間引きられた星間物質によって減速する相対論的後爆発火球の進化をモデル化し、磁気双極子放射によるパルサーからの連続的エネルギー注入を含む。
• 標準的な火球モデル（前方波と逆方向波を含む）を用い、減速時定数と放射束の進化を変化させるエネルギー注入を組み込む。
• 磁気双極子放射の放射度式 $ L = \frac{2}{3c^3} \left(\frac{2\pi}{P}\right)^4 R^6 B_s^2 \sin^2\theta $ を用い、$ L \approx 4 \times 10^{43} \, B_{\bot,12}^2 P_{\rm ms}^{-4} R_6^6 \, \text{erg s}^{-1} $ とパラメータ化する。
• 火球がパルサーから初期エネルギーの半分を吸収するまでの時定数 $ \tau \approx 5 \times 10^7 \, \text{s} \, E_{51} B_{\bot,12}^{-2} P_{\rm ms}^4 R_6^{-6} $ を導出する。
• モデルが予測する放射束の低下法則と、初期および遅延時の観測された後光の等級を比較し、パルサーのパラメータを制約する。
• 観測的制約を用いる：約6日目に平坦な後光等級（R ~ 27）、4月9日（約188日目）にV=28.0に低下、平坦化は約60日目までに終了。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場を持つミリ秒パルサーからのエネルギー注入が、GRB970228の光学的後光曲線の三段階に分かれた形状を説明できるか？
• RQ2 観測された後光の進化を再現するための必要なパルサーのパラメータ（周期、磁場、慣性モーメント）は何か？
• RQ3 パルサーのエネルギー注入が後光曲線に平坦化フェーズをもたらす条件は何か？
• RQ4 パルサーのエネルギー注入時定数（$\tau$）と火球の減速時定数（$T$）の相対的大小が、曲線の形状にどのように影響するか？
• RQ5 観測された後光の挙動は、パルサー駆動火球モデルと整合的か、それとも代替のエンジンを必要とするか？

主な発見

• このモデルは、GRB970228の三段階に分かれた光曲線（初期低下、平坦化フェーズ、最終的低下）を、パルサーからのエネルギー注入によって成功裏に再現する。
• 平坦化フェーズは、パルサーのエネルギー注入時定数 $\tau$ が火球の減速時定数 $T$ より短い場合にのみ発生する。すなわち、$\tau < T$ のときである。
• 観測的制約から、パルサー周期は $1.4 \leq P_{\rm ms} \leq 1.7$ ms に制限され、$E_{51} \sim 1$、$R_6 \sim 1$、$I_{45} \sim 2$ を仮定した場合に成立する。
• 有効表面磁場は $20 \leq B_{\bot,12} \leq 30$ と推定され、$B_{\bot} \sim 2 \times 10^{13}$ から $3 \times 10^{13}$ G に対応する。
• モデルは、極めて強い磁場（$B_{\bot} \sim 10^{15}$ G）では、エネルギー注入が速すぎて（$T < 100$ s）、光学的後光では平坦化フェーズが観測不能になると予測する。
• 解析により、$\tau > T$ つまりパルサー周期が長すぎるか磁場が弱すぎる場合には、観測された後光挙動はパルサーのエネルギー注入と整合しないことが示された。