[論文レビュー] Late Afterglow Bump/Plateau around the Jet Break: Signature of a free-to-shocked wind Environment in Gamma-ray Burst

Xiaoyan Li, Da-Bin Lin+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 105被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ガンマ爆発（GRBs）におけるジェットブレイク付近の光学的・X線的後光に見られる遅発の同時隆起または平坦化が、自由風から均一媒体への移行を経る外部前方シャワー（eFS）の伝播によって生じることを提案する。モデルは、隆起の前の長期間にわたる緩やかな減衰とその後の急激な減衰を説明でき、理論的光曲線は、非対称観測者においてGRB 120326A、120404A、100814Aの観測結果と一致する。特に、減速半径が風境界付近またはそれより外側にある場合に顕著である。

ABSTRACT

A number of gamma-ray bursts (GRBs) exhibit the late simultaneous bumps in their optical and Xray afterglows around the jet break. Its origin is unclear. Based on the following two facts, we suggest that this feature may sound a transition of circum-burst environment from a free-wind medium to a homogeneous medium. (I) The late bump followed by a steep decay is strongly reminiscent of the afterglows of GRB 170817A, which is attributed to an off-axis observed external-forward shock (eFS) propagating in an interstellar medium. (II) Observations seem to feature a long shallow decay before the late optical bump, which is different from the afterglow of GRB 170817A. In this paper, we study the emission of an eFS propagating in a free-to-shocked wind for on/off-axis observers, where the mass density in the shocked-wind is almost constant. The late simultaneous bumps/plateaux in the optical and X-ray afterglows are really found around the jet break for high-viewing-angle observers. Moreover, there is a long plateau or shallow decay before the late bump in the theoretical light-curves, which is formed during the eFS propagating in the free-wind. For low-viewing-angle observers, the above bumps appear only in the situation that the structured jet has a low characteristic angle and the deceleration radius of the on-axis jet flow is at around or beyond the free-wind boundary. As examples, the X-ray and optical afterglows of GRBs 120326A, 120404A, and 100814A are fitted. We find that an off-axis observed eFS in a free-to-shocked wind can well explain the afterglows in these bursts.

研究の動機と目的

• 標準的な外部シャワーモデルでは十分に説明できない、GRBsのジェットブレイク付近における光学的・X線的後光に見られる遅発の同時隆起／平坦化の起源を解明すること。
• これらの隆起に続く急激な減衰が、それ以前の緩やかな減衰段階とどのように異なるかを解明すること。
• 自由風からショック済み風の媒体への移行が、隆起の前の長期間の緩やかな減衰を含む観測された光曲線特徴を自然に生じさせることを検証すること。
• 理論的光曲線を用いて、オン・アームおよびオフ・アーム観測者に対するGRB 120326A、120404A、100814Aの観測後光と照合し、モデルの妥当性を検証すること。
• 観測角度、ジェット構造、および減速半径が自由風からショック済み風への移行環境における後光光曲線に与える影響を調査すること。

提案手法

• 本研究では、自由風からショック済み風（均一）媒体に移行する周囲爆発媒体を通過する外部前方シャワー（eFS）の放射をモデル化する。ショック済み領域では一定の質量密度を仮定する。
• 相対論的シャワー力学を用いて理論的光曲線を導出し、観測時間、赤方偏移、およびシャワーのパラメータに基づく観測フラックス fν(tobs) を得る。高速冷却および低速冷却の両状態を別々に取り扱う。
• オン・アームおよびオフ・アーム観測者を区別し、視線がジェット開口角内にあるか外にあるかに応じて、フラックスの異なる式を用いる。
• 主要な式には、周波数および時間に依存するフラックス fν ∝ t−αobs ν−β の関係が含まれる。高速冷却および低速冷却条件下で、異なるスペクトル領域（ν < νc、νc < ν < νm、ν > νm）における閉じ込め関係（closure relations）を導出する。
• 視線角度効果は、有効ローレンツ因子および放射角を用いて扱い、視線に最も近いシャワー殻を表す ¯R および ¯Γ を用いる。
• 理論的光曲線をGRB 120326A、120404A、100814Aの多波長後光データと照合し、観測された隆起、緩やかな減衰、急激な減衰の各段階を再現できるかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由風からショック済み風への移行が、GRB後光におけるジェットブレイク付近の遅発の同時隆起／平坦化を説明できるか？
• RQ2 なぜ隆起の前には長期間の緩やかな減衰段階が見られ、これはGRB 170817Aで観測された挙動とはどのように異なるか？
• RQ3 観測角度（オン・アーム対オフ・アーム）が、自由風からショック済み風への移行環境における隆起の出現および光曲線の形状にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ジェットフローの減速半径が、特に風境界付近またはそれより外側にある場合に、観測された後光特徴を生じる上で果たす役割は何か？
• RQ5 本モデルは、GRB 120326A、120404A、100814Aのような例で、同時に観測された光学的およびX線的隆起に続く急激な減衰を再現できるか？

主な発見

• オフ・アーム観測者において、減速半径が自由風境界付近またはそれより外側にある場合、本モデルはGRB 120326A、120404A、100814Aの後光における遅発の同時隆起／平坦化を成功裏に再現する。
• オフ・アーム観測者では、eFSが自由風領域を通過する間、隆起の前の長期間にわたるプラトーまたは緩やかな減衰段階が形成され、観測された光曲線と一致する。
• 隆起に続く急激な減衰は、ジェットブレイク後の標準的な外部シャワーモデルに従い、自然に説明できる。
• 高視角観測者向けの理論的光曲線は、ジェットブレイク付近に隆起／プラトーを示し、それ以前に緩やかな減衰を示すが、これはGRB 120326Aの観測傾向と一致する。
• 本モデルでは、隆起が自由風からショック済み風への移行に起因し、シャワーの減速およびエネルギー注入がジェットブレイク時刻における放射の増強を引き起こすと説明できる。
• 本モデルで導出された閉じ込め関係（表2）は、自由風からショック済み風への移行シナリオにおける、ジェットブレイク後の時間指数αおよびスペクトル指数βが、観測された急激な減衰およびスペクトル挙動と一致することを示している。