[論文レビュー] Gamma Ray Bursts Cook Book I: Formulation

H. Ziaeepour|Dec 17, 2008

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ガンマ線バーストにおける相対論的衝撃波力学を包括的かつ物理的に一貫した形式で提示し、内部衝撃および外部衝撃における相対論的シェル同士の衝突によるエネルギー散逸と放射をモデル化する。放射度、スペクトル指数、遅れ、硬さ比の解析的表現を導出し、多波長観測と直接比較可能にすることで、電子エネルギー分布や冷却破綻周波数といった時間変化する物理的パラメータを抽出可能にする。

ABSTRACT

Since the suggestion of relativistic shocks as the origin of gamma-ray bursts (GRBs) in early 90's, the mathematical formulation of this process has stayed at phenomenological level. One of the reasons for the slow development of theoretical works in this domain has been the simple power-law behaviour of the afterglows hours or days after the prompt gamma-ray emission. Nowadays with the launch of the Swift satellite, gamma-ray bursts can be observed in multi-wavelength from a few tens of seconds after trigger onward. These observations have leaded to the discovery of features unexplainable by the simple formulation of the shocks and emission processes used up to now. But "devil is in details" and some of these features may be explained with a more detailed formulation of phenomena and without adhoc addition of new processes. Such a formulation is the goal of this work. We present a consistent formulation of the collision between two spherical relativistic shells. The model can be applied to both internal and external shocks. Notably, we propose two phenomenological models for the evolution of the emitting region during the collision. One of these models is more suitable for the internal shocks and the other for the external collisions. We calculate radiation flux, lags, and hardness ratios. One of our aims has been a formulation enough complex to include the essential processes, but enough simple such that the data can be directly compared with the theory to extract the value and evolution of physical quantities. To accomplish this goal, we also suggest a procedure for extracting parameters of the model from data. In a following paper we numerically calculate the evolution of some simulated models and compare their features with the properties of the observed gamma-ray bursts.(abbreviated)

研究の動機と目的

• 現象的近似を越えて、物理的に一貫した解析的フレームワークを構築し、ガンマ線バーストにおける相対論的衝撃波をモデル化すること。
• 従来の衝撃モデルでは説明できない観測された後光特徴（例：フレア、色付きの破綻、浅い減衰）の不一致を解消すること。
• 理論的予測と多波長観測データの直接比較を可能にするために、第一原理から観測可能な量を導出すること。
• 発光領域の進化を表す2つの別々の現象的モデルを提案する：1つはプロンプト／内部衝撃に適したモデル、もう1つは遅延外部衝撃および後光発生に適したモデル。
• 観測光曲線およびスペクトルから物理的パラメータ（例：電子分布指数、冷却破綻周波数）を抽出する手順を提供すること。

提案手法

• 特殊相対性理論の変換を用いて、2つの衝突する相対論的球殻の運動学および力学を定式化する。
• 衝撃フレームにおけるエネルギー散逸および粒子加速プロセスを導出し、加速された電子からのシンクロtron放射を仮定する。
• 発光領域の進化を表す2つの現象的モデルを導入する：1つはローレンツ因子が一定のもの、もう1つは時間に依存するローレンツ因子を持つもの。
• ベッセル関数および超幾何関数を含む積分を用いて、周波数および時間の関数としての放射度密度を計算する。
• 完全な放射輸送形式を用いて、スペクトル指数、エネルギー帯間の遅れ、硬さ比の解析的表現を導出する。
• 修正ベッセル関数および超幾何関数を含む複雑な積分に対して漸近近似を適用し、モデルの解析的取り扱いを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ線バーストの後光における観測された多波長光曲線およびスペクトルを、1つの衝撃モデルで一貫して説明することは可能か？
• RQ2 ガンマ線バーストの後光において観測される硬いX線帯とやわらかいX線帯の間の遅れは、どのような物理的メカニズムに起因するか？
• RQ3 追加の仮定を必要としない衝撃力学から、X線帯および光学帯における色付きの破綻やフレアはどのように生じるか？
• RQ4 浅い減衰領域および遅延フレアは、時間変化する衝撃構造およびエネルギー注入によって説明可能か？
• RQ5 中心エンジンの活動は、初期後光をどのように形作っており、衝撃フレームワーク内でどのようにモデル化可能か？

主な発見

• 放射度、スペクトル指数、遅れの解析的表現が、電子分布指数、冷却破綻周波数、ローレンツ因子といった基本的パラメータに依存することを示した。
• エネルギー帯間の遅れは、冷却時間が異なる電子からの放射に起因する時間遅れに起因しており、導出された超幾何関数に基づく表現により計算可能であることが示された。
• モデルは、電子のエネルギー依存的冷却に起因する硬さ比の時間的進化を予測し、後光における観測されたスペクトルの軟化と一致する。
• ベッセル関数および超幾何関数を含む放射度計算における二重積分は、漸近展開を用いて近似され、解析的取り扱いが可能になった。
• 理論的光曲線およびスペクトルの解析的適合により、観測データから直接物理的パラメータを抽出可能であり、発光領域内の物理的状態を推定する道筋が示された。
• 2つの別々の現象的進化則を用いて、内部衝撃と外部衝撃の領域を区別することで、プロンプト放射および後光放射の記述が向上した。