[論文レビュー] GRB 121027A: long-lasting, energetic X-ray flares and clues to radiation mechanism and progenitor star

Fang‐Kun Peng, Y. D. Hu+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、10⁵秒にわたって続く非常にエネルギーが高く長期間にわたるX線フレアを示す超長継続時間ガンマ爆発GRB 121027Aを分析している。フレアは、初期のガンマ線放出よりも10倍以上のエネルギーを放出しているが、同じ$L_{\rm iso}-E_{\rm p}$および$Γ-L_{\rm iso}$関係に従っており、共通のシンクロtron放射メカニズムであることを示唆している。高い遅発エネルギー出力は、混合したエンvelopeを持つ大型の前身星を示しており、通常のウルフ＝レイター星とは異なる。

ABSTRACT

GRB 121027A is un-usual with its extremely long-lasting, energetic X-ray flares. The total energy release in X-ray flares is about one order of magnitude higher than prompt gamma-rays, making it special from most long GRBs. We show that while the prompt gamma-ray emission satisfies the empirical E_{iso}-E_{p} relation of typical long GRBs, the X-ray flares, whose spectra can be fit with a cutoff-power-law model with well-constrained E_p, significantly deviate from such a relation. Nonetheless, a time-resolved spectral analysis of X-ray flares suggest that the X-ray emission is consistent with the L_{iso}-E_{p} relation of long GRBs. We constrain the minimum Lorentz factor of the X-ray flares to be ~14, which is consistent with the Gamma-L_{iso} relation. Our results imply that prompt gamma-ray emission and late X-ray flares share the similar radiation mechanism, but originate from the outflows with different Lorentz factors. We search for similar GRBs from the Swift GRB archives, and find that the z=6.29 GRB 050904 is a carbon copy of GRB 121027A. The long-lasting, energetic X-ray flares in these GRBs demand significant accretion at late times, which point towards a large-radius progenitor star.

研究の動機と目的

• 超長継続時間X線フレアの起源および放射メカニズムをGRB 121027Aで調査すること。
• X線フレアが、長継続ガンマ爆発における初期放出と同様の経験的相関（例：$L_{\rm iso}-E_{\rm p}$）に従うかどうかを特定すること。
• 遅発フレアのエネルギー収支と時間的挙動から、前身星の性質を推定すること。
• Swiftアーカイブ内で類似するガンマ爆発を特定し、GRB 121027Aが超長継続ガンマ爆発の別個の亜群に属するかどうかを評価すること。

提案手法

• Swift/BATおよびXRTデータを用いたX線フレアの時間分解スペクトル解析により、$E_{\rm p}$および$L_{\rm iso}$を測定する。
• X線フレアの性質を、初期放出で観測された$L_{\rm iso}-E_{\rm p}$および$Γ-L_{\rm iso}$関係と比較する。
• 出流の動力学を評価するため、$Γ-L_{\rm iso}$関係から最小ローレンツ因子$Γ \sim 14$を推定する。
• 風媒質における外部衝撃モデルを用いて、ジェット半開口角$Θ_{\rm j} > 10.4^\circ$の下限を導出する。
• Swiftガンマ爆発アーカイブとのクロス相関を実施し、特にGRB 050904と類似したフレア光曲線を持つ天体を同定する。
• 遅発X線光曲線の減衰（$t^{-1.55}$）およびスペクトル指数（$β \sim 1.5$）のモデリングにより、標準的後発光モデルとの整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 121027Aの長期間にわたるX線フレアは、初期ガンマ線放出と同一の$L_{\rm iso}-E_{\rm p}$関係に従うか？
• RQ2 X線フレア出流の最小ローレンツ因子は何か？ また、$Γ-L_{\rm iso}$関係とどのように関連しているか？
• RQ3 このようなエネルギーの高い遅発フレアを駆動するために必要な前身星の性質は何か？
• RQ4 GRB 121027Aは、超長継続ガンマ爆発の別個の亜群に属するのか？ また、Swiftアーカイブ内に類似する爆発は他に存在するか？
• RQ5 ジェットブレイクの欠如およびX線光曲線の$t^{-1.55}$減衰は、周囲物質およびジェット構造に関して何を示唆するか？

主な発見

• GRB 121027AのX線フレアに含まれる全エネルギーは、初期ガンマ線放出よりも約1桁高い。これは、遅発段階で極めてエネルギーの高い状態であることを示している。
• X線フレアは、初期放出と同一の$L_{\rm iso}-E_{\rm p}$関係を示しており、シンクロtron放射などの共通の放射メカニズムであることを示唆している。
• X線フレア出流の最小ローレンツ因子は、$Γ \sim 14$に制約され、長継続ガンマ爆発で観測された$Γ-L_{\rm iso}$関係と整合的である。
• ジェット半開口角は、$Θ_{\rm j} > 10.4^\circ$に制約され、外部衝撃モデルおよび光学的ジェットブレイク測定と整合的である。
• GRB 050904が、類似したフレア光曲線を示す類縁の天体として同定され、共通の起源および前身星タイプを示唆している。
• 高い遅発エネルギー予算および後発光の支配的でない状態は、混合エンベロープを持つ大型の前身星（おそらく低金属量で高速回転している）を示しており、通常のウルフ＝レイター星とは異なる。