[論文レビュー] Multi-collision internal shock lepto-hadronic models for energetic GRBs

Annika Rudolph, Μαρία Πετροπούλου+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、エネルギーの高いガンマ線バースト（GRBs）における超高エネルギー宇宙線（UHECR）の生成を説明するため、複数回の衝突を伴う内部衝撃のレプトン・ハドロンモデルを提案する。時間に依存する光子およびニュートリノスペクトルを組み込む。結果として、~3–10のバリオン負荷が、Fermi-GBMスペクトルを歪めることなくUHECRを駆動可能であり、ハドロン的特徴は、シンクロtron支配の状況では、光学・UV、ソフトX線、およびGeV–TeV帯で相関するフラックス増加として検出可能である。一方、ニュートリノ非観測は、逆コンプトン支配の状況における負荷を制限する。

ABSTRACT

For a sub-population of energetic Gamma-Ray Bursts (GRBs), a moderate baryonic loading may suffice to power Ultra-High-Energy Cosmic Rays (UHECRs). Motivated by this, we study the radiative signatures of cosmic-ray protons in the prompt phase of energetic GRBs. Our framework is the internal shock model with multi-collision descriptions of the relativistic ejecta (with different emission regions along the jet), plus time-dependent calculations of photon and neutrino spectra. Our GRB prototypes are motivated by {\em Fermi}-LAT detected GRBs (including GRB~221009A) for which further, owing to the large energy flux, neutrino non-observation of single events may pose a strong limit on the baryonic loading. We study the feedback of protons on electromagnetic spectra in synchrotron- and inverse Compton-dominated scenarios to identify the multi-wavelength signatures, to constrain the maximally allowed baryonic loading, and to point out the differences between hadronic and inverse Compton signatures. We find that hadronic signatures appear as correlated flux increases in the optical-UV to soft X-ray and GeV to TeV gamma-ray ranges in the synchrotron scenarios, whereas they are difficult to identify in inverse Compton-dominated scenarios. We demonstrate that baryonic loadings around 10, which satisfy the UHECR energetic requirements, do not distort the predicted photon spectra in the {\em Fermi}-GBM range and are consistent with constraints from neutrino data if the collision radii are large enough (i.e., the time variability is not too short). It therefore seems plausible that under the condition of large dissipation radii a population of energetic GRBs can be the origin of the UHECRs.

研究の動機と目的

• エネルギーの高いGRBsが、内部衝撃モデルにおけるハドロン的過程によって超高エネルギー宇宙線（UHECR）を生成できるかどうかを調査すること。
• 特に複数回の衝突を伴う状況において、プロトン誘発反応の放射的特徴を、GRBsのプロンプト段階で特定すること。
• Fermi-LATで検出されたGRBs、特にGRB 221009Aを含め、高エネルギーニュートリノの非観測から得られるバリオン負荷の制約を評価すること。
• 多波長の光子およびニュートリノ特徴を用いて、ハドロン的放射と純粋なレプトン的放射を区別すること。
• 衝突半径が、レプトン・ハドロンモデルにおけるスペクトル特徴およびニュートリノフルエンスに与える影響を評価すること。

提案手法

• ジェットに沿って複数の衝突領域を想定し、それぞれが異なるローレンツ因子と半径を持つ内部衝撃プロセスをモデル化する。
• 時間に依存する放射輸送を用いて、光子ハドロン反応によって生成される二次的な電子および陽電子からのシンクロtronおよび逆コンプトン放射を計算する。
• ニュートリノスペクトル計算において、電磁的カスケードおよびパイオン・ミューオン冷却効果を自己整合的に組み込む。
• 光学・UVからTeVガンマ線、およびGeV–TeVニュートリノに至る全エネルギー範囲における光子およびニュートリノスペクトルを計算する。
• Fermi-GBMおよびFermi-LAT観測、IceCubeニュートリノ非観測およびスタッキング限界からの制約を適用する。
• バリオン負荷（ϵB/ϵe）および衝突半径を変化させ、それらがスペクトル特徴および検出可能性に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度のバリオン負荷（~3–10）を有する複数回の衝突を伴う内部衝撃モデルは、観測されたFermi-GBMスペクトルを歪めることなくUHECRを生成できるか？
• RQ2 GRBプロンプト放射において、ハドロン的過程と純粋なレプトン的放射を区別する多波長光子特徴は何か？
• RQ3 IceCubeからのニュートリノ非観測は、特にGRB 221009Aのようなバーストにおいて、バリオン負荷にどのような制約を課すか？
• RQ4 衝突半径は、レプトン・ハドロンモデルにおける予測されるニュートリノピークエネルギーおよび検出可能性にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 シンクロtron支配のGRBsにおいて、光学・UV、ソフトX線、およびGeV–TeV帯での相関するフラックス増加は、明確なハドロン的特徴と見なせるか？

主な発見

• バリオン負荷が約3–10の範囲にある場合、Fermi-GBMエネルギー範囲における予測光子スペクトルを歪めることなく、UHECR生成が可能である。
• シンクロtron支配の状況では、ハドロン的相互作用が、光子指数−2の相関する広帯域パワー・ロウ成分を生成し、光学・UV、ソフトX線、およびGeV–TeVガンマ線帯でフラックスが増加する。
• 逆コンプトン支配の状況では、レプトン・ハドロン的モデルと純粋なレプトン的モデルの両方の光子スペクトルは区別できず、光子のみではハドロン的特徴は検出不能である。
• IceCubeからのニュートリノ非観測およびスタッキング解析により、変動時間スケールが短くならない十分に大きな衝突半径を想定した場合、バリオン負荷は約3–10に制限される。
• 予測されるニュートリノスペクトルは、従来の予想よりも高いエネルギーでピークを示すため、将来的な電波ニュートリノ望遠鏡（例：GRAND）にとって、エネルギーの高いGRBsは有望な標的である。
• ニュートリノスペクトルのピークエネルギーは衝突半径に敏感である。半径が小さい（短い変動時間）と、パイオンおよびミューオン冷却のためピークエネルギーが低下し、現在の観測器で検出されやすくなる。