[論文レビュー] Optical and Radio observations of the bright GRB010222 afterglow: evidence for rapid synchrotron cooling?

R. Sagar, C. S. Stalin+9 more|Bristol Research (University of Bristol)|Apr 15, 2001

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、明るいGRB 010222の後光を、光学、電波、ミリ波帯の多波長観測によって調査し、急速なシンクロトロン冷却を検討した。その結果、シンクロトロン冷却周波数がミリ波帯に位置することを明らかにした。これは、350 GHzで観測された過剰な電波放射と約0.7日における光度曲線の折り返しを説明するものであり、強い衝撃波後の磁場を仮定した場合、ジェット開口角が約2.0°であると整合的である。

ABSTRACT

We report photometric observations of the optical afterglow of GRB010222 in V,R and I passbands carried out at UPSO, Naini Tal between 22-27 Feb 2001. We determine CCD Johnson BV and Cousins RI photometric magnitudes for 31 stars in the field of GRB010222 and use them to calibrate our measurements as well as other published BVRI photometric magnitudes of GRB010222 afterglow. We construct the light curve in V,R,I passbands and from a broken power-law fit determine the decay indices of 0.74+/-0.05 and 1.35+/-0.04 before and after the break at 0.7 days. Using reported X-ray flux measurements at 0.35 and 9.13 days after the burst we determine X-ray to opt/IR spectral index of 0.61+/-0.02 and 0.75+/-0.02 on these two days. We also report upper limits to the radio flux obtained from the RATAN-600 telescope and the GMRT, and millimeter-wave upper limits obtained from the Plateau de Bure Millimeter interferometer. We argue that the synchrotron cooling frequency is below the optical band for most of the observing period. We also estimate an initial jet opening angle of about 2.0n^(1/8) degrees, where n is the number density of the ambient medium.

研究の動機と目的

• B、V、R、Iバンドにおける複数エポックのCCDフォトメトリーを用いて、GRB 010222の光学的後光の光度曲線とスペクトル進化を特定すること。
• 光学からX線帯域にわたり、放射の減衰とスペクトル指数の進化を分析することで、急速なシンクロトロン冷却の有無を評価すること。
• 観測された光度曲線の折り返しと後光の減衰指数を用いて、ジェット構造と周囲物質の密度を制限すること。
• シンクロトロン冷却効果を用いて、ミリ波帯の過剰放射を解釈し、冷却周波数の位置を特定すること。
• シンクロトロン冷却モデルを検証するため、電波およびミリ波帯の上界を設定すること。

提案手法

• 光学フォトメトリーは、ナイナタルの104-cmサンプルナンダ・テレスコープに搭載された2048×2048のCCDを用いて、2001年2月22日から27日まで実施された。
• フォトメトリックマグニチュードのキャリブレーションには、ランドールト（1992）の標準星が用いられ、領域内の31個の星の正確なフラックスキャリブレーションが可能となった。
• 後光の光度曲線は、折り返しのあるパワー則モデルでフィットされ、初期段階（α₁ = 0.74 ± 0.05）と遅延段階（α₂ = 1.35 ± 0.04）の減衰指数が決定された。
• 同時多バンド測定からのスペクトル指数は、Δt = 0.35日でα = 0.61 ± 0.02、Δt = 9.13日でα = 0.75 ± 0.02を示した。
• 電波およびミリ波帯観測は、RATAN-600およびGMRTを用い、3.9 GHzおよび610 MHzで実施され、それぞれ上界は約5 mJyおよび約1 mJyであった。
• 93 GHzおよび230 GHzでのミリ波帯のフラックスは測定され、350 GHzで一時的な過剰放射（Δt = 0.23日で4.2 ± 1.2 mJy）が観測され、7.4日目には消失した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 約0.7日後に観測された放射の減衰の折り返しは、急速なシンクロトロン冷却を示唆するか？
• RQ2 GRB 010222におけるシンクロトロン冷却周波数は、電磁スペクトルのどの領域に位置するか？
• RQ3 観測されたミリ波帯の過剰放射は、冷却断面エネルギーよりも低いエネルギーの電子がたまり、スペクトルのピークを形成する現象で説明できるか？
• RQ4 光度曲線の折り返しと等方的エネルギー放出をもとに、推定されるジェット開口角は何か？
• RQ5 電波およびミリ波帯の上界は、電子エネルギー分布および磁場強度にどのような制限を課すか？

主な発見

• 光学的後光の光度曲線は、約0.7日で折り返しを示し、初期段階（0.74 ± 0.05）と遅延段階（1.35 ± 0.04）の減衰指数が、急速冷却から遅い冷却への遷移と整合的である。
• スペクトル指数は、Δt = 0.35日で0.61 ± 0.02からΔt = 9.13日で0.75 ± 0.02に変化し、冷却断面の進化に一致する硬化傾向を示している。
• シンクロトロン冷却周波数ν_cは、ミリ波帯に位置しており、これにより350 GHzでの観測された過剰放射が説明され、7.4日目には消失した。
• ν ≈ 350 GHz（Δt = 0.23日で4.2 ± 1.2 mJy）におけるミリ波帯の過剰放射は、冷却断面エネルギーよりも低いエネルギーの電子がたまり、スペクトルのピークを形成する現象に起因するとされる。
• 電波およびミリ波帯観測では、3.9 GHzで約5 mJy、610 MHzで約1 mJyの上界が得られ、93 GHzおよび230 GHzでは7.4日目以降に検出は確認されなかった。
• ジェット開口角は、等方的エネルギー放出が8×10⁵³ ergであり、観測された折り返し時間と整合する横方向の拡張速度を仮定した場合、約2.0°と推定された。