[論文レビュー] Gamma Ray Bursts in the HAWC Era

P. Mészáros, Katsuaki Asano+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、高高度水チェレンコフ（HAWC）観測所の文脈において、ガンマ線バースト（GRB）の役割を調査し、特に低光度または「隠れた」GRBにおけるGRBジェット内のバリオン過程が、IceCubeが検出した拡散的TeV-PeVニュートリノフラックスを説明できる可能性を提案している。また、星形成銀河内のハイパノーバおよび超新星が、D ∝ε^{1/2}に比例する陽子拡散係数を伴う場合、観測されたIceCubeニュートリノスペクトルとFermiの拡散的ガンマ線背景を同時に説明でき、観測制約に反しないことを示している。

ABSTRACT

Gamma-Ray Bursts are the most energetic explosions in the Universe, and are among the most promising for detecting multiple non-electromagnetic signals, including cosmic rays, high energy neutrinos and gravitational waves. The multi-GeV to TeV gamma-ray range of GRB could have significant contributions from hadronic interactions, mixed with more conventional leptonic contributions. This energy range is important for probing the source physics, including overall energetics, the shock parameters and the Lorentz factor. We discuss some of the latest observational and theoretical developments in the field.

研究の動機と目的

• IceCubeが観測した拡散的高エネルギーニュートリノフラックスの源としてのGRBの妥当性を評価すること。
• 特に低光度または電磁的に弱い「隠れた」GRBにおけるGRBジェット内のバリオン過程の役割を検討すること。
• ハイパノーバや超新星といった天体を用いて、観測されたIceCubeニュートリノフラックスとFermiの等方的拡散的ガンマ線背景を一致させること。
• HAWC観測所がGRBからのマルチメッセンジャーサイナルを検出する可能性を評価すること、特にガンマ線、ニュートリノ、重力波を含む。

提案手法

• GRBのマルチGeVからTeVにわたるガンマ線放射を、レプトン的およびバリオン的寄与に分けて分析する。
• 相対論的ジェット内の内部および外部シャockによる粒子加速と放射をモデル化し、磁場を伴うシャックでFermi加速を用いる。
• 特に低光度GRBおよびハイパノーバにおけるGRBアウトフラウズ内でのppおよびpγ反応によるニュートリノ生成を評価する。
• 宿主銀河および銀河団内での陽子の拡散係数D(ε) ∝ε^{1/2}を用いて、ニュートリノおよびガンマ線フラックスを計算する。
• 理論的フラックス予測をIceCube（ニュートリノ）およびFermi（ガンマ線）の観測データと比較し、スペクトル指数および正規化制約を用いる。
• HAWCの全天スキャン能力を活用して、100 GeVからTeVの範囲におけるGRBガンマ線放射の検出可能性を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低光度または「隠れた」GRBにおけるバリオン過程が、IceCubeが観測した拡散的TeV-PeVニュートリノフラックスを説明できるか。
• RQ2 星形成銀河内のハイパノーバおよび超新星が、IceCubeニュートリノフラックスとFermiの等方的拡散的ガンマ線背景の両方をどの程度説明できるか。
• RQ3 銀河および銀河団環境における陽子の拡散係数（D ∝ε^{1/2} または ε^{1/3}）が、GRB関連源からの予測ニュートリノおよびガンマ線フラックスにどのように影響するか。
• RQ4 HAWCがGRBからのマルチメッセンジャーサイナル、特に100 GeVからTeVのガンマ線帯域で検出する役割は何か。
• RQ5 観測された拡散的ニュートリノフラックスのスペクトル勾配（約−2.3から−2.5）が、Fermiガンマ線背景からの制約に反しない範囲でGRBベースのモデルと整合するか。

主な発見

• IceCubeが観測したTeV-PeV範囲の拡散的ニュートリノフラックスは、SwiftやFermiで検出された古典的な高光度GRBからの寄与とは整合せず、これらはガンマ線を過剰に生成するため。
• 低光度GRB（LLGRB）、つまり遮断されたジェットを伴うGRB、または非GRB型ハイパノーバが、観測されたニュートリノフラックスの妥当な候補である。これは、強い電磁的対応が存在しないまま高エネルギーニュートリノを生成できるため。
• 宿主銀河および銀河団内での陽子拡散係数D ∝ε^{1/2}を用いることで、ハイパノーバおよび超新星がIceCube観測と整合するニュートリノフラックスを生成し、Fermiの拡散的ガンマ線背景とも整合する。
• モデルはIceCubeニュートリノスペクトル（勾配～−2.3から−2.5）をうまく再現しており、データの誤差範囲内に収まり、わずかに数σのずれを示す1点を除いては良好な一致を示している。
• HAWC観測所は、GRBからのマルチメッセンジャーサイナル、特に100 GeVからTeVのガンマ線帯域での検出において、中心的な役割を果たすと予想される。これにより、バリオン的放射モデルの相関検証が可能になる。
• 星形成銀河およびスターバースト銀河におけるハイパノーバおよび超新星の組み合わせ寄与は、適切な相対的集団比と拡散パラメータを用いれば、IceCubeニュートリノフラックスとFermiガンマ線背景の両方を説明可能である。