[論文レビュー] GRB 060218/SN 2006aj: Prompt Emission from Inverse-Compton Scattering of Shock Breakout Thermal Photons

Zi-Gao Dai, Bing Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、GRB 060218/SN 2006ajの異常なプロンプト放射が、衝撃ブレイク期に生成された熱的光子と相対論的電子による逆コンプトン散乱に起因すると提案している。ガンマ線は逆方向衝撃から、X線は前方衝撃から発生する。モデルは、色のついた光曲線と低紫外線/可視光放射をうまく再現しており、コラプサー模型と整合する、ゆっくりと増加する中心部のエネルギー出力と一致している。

ABSTRACT

The gamma-ray burst (GRB) 060218/SN 2006aj is a peculiar event, with the second lowest redshift, low luminosity, long duration, chromatic lightcurve features, and in particular, the presence of a thermal component in the X-ray and UV-optical spectra. Thanks to detailed temporal and spectral coverage of the {\em Swift} observatory, the abundant data allow the GRB prompt emission to be modelled in great detail for the first time. The low flux of prompt UV/optical emission disfavors the conventional internal shock/synchrotron radiation models, which generally predict strong UV/optical emission. Here we show that the unusual prompt emission of GRB 060218 can be produced by inverse-Compton scattering of shock-accelerated relativistic electrons off the detected thermal photons. A pair of (forward plus reverse) shocks form when a relativistic outflow interacts with a preexisting slower shell. The observed gamma-ray emission and X-ray emission arise from the reverse-shocked and forward-shocked regions, respectively. A fit to the data requires an initially increasing outflow luminosity, which is consistent with the prediction of the popular collapsar model.

研究の動機と目的

• GRB 060218/SN 2006ajの異常なプロンプト放射を説明すること。特徴は低出力、長期間にわたる放射、極めて弱い紫外線/可視光放射である。
• 従来の内部衝撃/シンクロtronモデルが予測する強力な紫外線/可視光フラッシュと観測結果が矛盾しないようにすること。
• ガンマ線がX線よりも早く減衰するという色のついた光曲線の物理的起源を特定すること。
• Swiftの多波長データを用いて、出力およびシェルのパラメータを制約すること。特に、出力の時間的変化とスペクトル的特徴に注目する。
• 中心部のエネルギー出力がゆっくりと増加するという事実がコラプサー模型と整合するかを検証すること。

提案手法

• 相対論的出力が事前に存在する遅いシェルと衝突し、前方衝撃と逆方向衝撃を形成するモデルを構築する。
• 衝撃で加速された電子が、衝撃ブレイク期に生成された熱的光子と逆コンプトン散乱する際の放射を計算する。
• 観測者フレームにおける出力の計算に、ICのパワー則 P(γe) = σT c γ² γe² U'0 と特徴エネルギー εγ(γe) = γe² ε0 を用いる。
• スペクトル指数と衝撃パラメータを用いて、BAT（15–150 keV）およびXRT（0.3–10 keV）バンドの出力式を導出する。
• εe（電子エネルギー分率）、Lw（風出力）、n（シェル密度）、γw（ローレンツ因子）などのパラメータを調整することで、Swiftデータにモデルを適合させる。
• 曲率効果と衝撃通過時間の影響を考慮し、ピーク後のガンマ線光曲線の急激な減衰をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜGRB 060218のプロンプト紫外線/可視光放射は、内部衝撃/シンクロtronモデルが予測する値よりも5桁も弱いか？
• RQ2 長期間持続するガンマ線バーストで、ガンマ線がX線よりも先に減衰する色のついた光曲線を生じるメカニズムは何か？
• RQ3 X線および紫外線バンドで観測されたソフトな熱的成分を、プロンプト放射メカニズムとどのように結びつけるか？
• RQ4 観測された出力の時間的変化とスペクトルエネルギー分布を再現するために、出力およびシェルに必要な物理的条件は何か？
• RQ5 中心部のエネルギー出力がゆっくりと増加するという事実は、コラプサー模型と整合するか？

主な発見

• モデルはピーク時のBATおよびXRT出力を観測値とよく一致させ、L_BAT ≈ 1.8 × 10^46 erg s⁻¹ および L_XRT ≈ 3.3 × 10^46 erg s⁻¹ を得た。
• 必要なシェルの数密度は n₉ ≈ 0.02 εe,-2⁻³ γw,1⁻⁵ であり、低密度環境であることが示された。
• ピークまでの出力は Lw ∝ t^k と表され、k ≈ 0.8 である。これはコラプサー模型が予測する降着行動と整合的である。
• ピーク後のガンマ線光曲線の減衰は L_BAT ∝ t^−3.25 に従い、逆方向衝撃領域における曲率効果と一致する。
• X線後駆動放射の減衰は L_XRT ∝ t^−5/8 に従い、観測された α_x,2 ≈ −1.2 と一致し、自己相似的前方衝撃進化を支持する。
• 約2600秒以降の急激な減衰は、ココーン放射の減衰と前方衝撃領域における曲率効果の両方の寄与によって説明できる。