[論文レビュー] Properties of the extremely energetic GRB~221009A from Konus-WIND and SRG/ART-XC observations

D. Frederiks, D. Svinkin+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、Konus-WINDおよびSRG/ART-XCの観測を用いて、非常に高エネルギーのガンマ線バーストGRB 221009Aを分析し、約600秒にわたるプロンプト放射に続く定常的なパワー則的減衰を明らかにした。このバーストは、$E_{\mathrm{iso}} \approx 1.2 \times 10^{55}$ ergの等方的エネルギー放出と、$L_{\mathrm{iso}} \approx 3.4 \times 10^{54}$ erg s$^{-1}$のピーク放射度を示し、これまでに記録された中で最もエネルギー的で明るいGRBであり、AmatiおよびYonetoku相関と整合的である。

ABSTRACT

We report on Konus-Wind (KW) and Mikhail Pavlinsky ART-XC telescope observations and analysis of a nearby GRB 221009A, the brightest $γ$-ray burst (GRB) detected by KW for $>$28 years of observations. The prompt, pulsed phase of the burst emission lasts for $\sim 600$ s and is followed by a steady power-law decay lasting for more than 25 ks. From the analysis of the KW and ART-XC light curves and the KW spectral data we derive time-averaged spectral peak energy of the burst $E_p\approx 2.6$ MeV, $E_p$ at the brightest emission peak $\approx 3.0$ MeV, the total 20 keV--10 MeV energy fluence of $\approx0.22$ erg cm$^{-2}$, and the peak energy flux in the same band of $\approx 0.03$ erg cm$^{-2}$ s$^{-1}$. The enormous observed fluence and peak flux imply, at redshift $z=0.151$, huge values of isotropic energy release $E_{\mathrm{iso}}\approx1.2 imes10^{55}$ erg (or $\gtrsim 6.5$ solar rest mass) and isotropic peak luminosity $L_{\mathrm{iso}}\approx3.4 imes10^{54}$ erg s$^{-1}$ (64 ms scale), making GRB 221009A the most energetic and one the most luminous bursts observed since the beginning of the GRB cosmological era in 1997. The isotropic energetics of the burst fit nicely both "Amati" and "Yonetoku" hardness-intensity correlations for $>$300 KW long GRBs, implying that GRB~221009A is most likely a very hard, super-energetic version of a "normal" long GRB.

研究の動機と目的

• Konus-WINDで28年ぶりに観測された最も明るいGRBであるGRB 221009Aの極端なエネルギー的性質および時間的・スペクトル的性質を特徴づけること。
• Konus-WINDおよびSRG/ART-XCの多波長データを用いて、等方的エネルギー放出およびピーク放射度を特定すること。
• このバーストの性質が、AmatiおよびYonetokuといった既存の経験的相関と整合するかどうかを評価すること。
• 後光の減衰行動を調査し、異なる時間基準点を用いて光曲線に特徴的な折り返し点（break）の有無を特定すること。

提案手法

• Konus-WINDデータの時間分解スペクトル解析により、時間平均スペクトルピークエネルギー$E_p$およびピークスペクトルピークエネルギーを導出する。
• 複数のゼロ時刻基準点（$t_0$）を用いたパワー則的（PL）および折り返しパワー則的（BPL）フィットを用いた光曲線モデリングにより、後光の減衰行動を評価する。
• 赤方偏移$z=0.151$および距離距離$d_L = 745$ Mpcを用いて、等方的エネルギー放出$E_{\mathrm{iso}}$およびピーク放射度$L_{\mathrm{iso}}$を計算する。
• 300個以上の長短GRBのサンプルを用いて、このバーストの$E_{\mathrm{iso}}$および$L_{\mathrm{iso}}$をAmatiおよびYonetoku相関と比較する。
• $T_{\mathrm{peak}}$、$T_{\mathrm{90}}$、およびバースト後時刻点を$t_0$として用い、減衰傾きの$t_0$依存性の感度を評価する。
• 80–320 keVバンドにおける20–25.7 ksの遅延後光のスペクトルフィットにより、時間的変化を制約する。

Figure 1: Overview of GRB 221009A prompt emission as observed by KW and ART-XC. The KW background-subtracted light curve, corrected for instrumental effects, is composed of THA, BGA, and HGA count rates in G2 (80-320 keV, the magenta line). The dark green line shows background-subtracted ART-XC ligh

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 221009Aの等方的エネルギー放出およびピーク放射度は何か？ また、既知のGRB集団と比較するとどうなるか？
• RQ2 このバーストの極端なエネルギー的性質および放射度は、AmatiおよびYonetokuの硬さ-強度相関と整合するか？
• RQ3 後光の時間的変化は何か？ また、標準的なX線後光フェーズに一致する折り返し点を示しているか？
• RQ4 光曲線における測定された減衰傾きは、ゼロ時刻基準点（$t_0$）の選択にどれほど敏感か？
• RQ5 20 keV–10 MeVバンドにおける観測された$E_p \approx 2.6$ MeVおよび$\approx 0.22$ erg cm$^{-2}$のフルエンスの物理的解釈は何か？

主な発見

• GRB 221009Aの時間平均スペクトルピークエネルギーは$E_p \approx 2.6$ MeVであり、ピーク放射エネルギーは$\approx 3.0$ MeVである。
• 20 keV–10 MeVバンドの全エネルギーフルエンスは$\approx 0.22$ erg cm$^{-2}$であり、ピークフラックスは$\approx 0.031$ erg cm$^{-2}$ s$^{-1}$である。
• 等方的エネルギー放出は$E_{\mathrm{iso}} \approx 1.2 \times 10^{55}$ ergであり、これは$\gtrsim 6.5$太陽質量の静止質量に相当する。
• 等方的ピーク放射度は$L_{\mathrm{iso}} \approx 3.4 \times 10^{54}$ erg s$^{-1}$に達し、1997年以来観測された中で最も明るいGRBである。
• このバーストの$E_{\mathrm{iso}}$および$L_{\mathrm{iso}}$値は、AmatiおよびYonetoku相関の散乱内に位置しており、典型的な長短GRBの超エネルギー的バージョンであると示唆している。
• $t_0 = 650$ sを用いた後光モデリングでは、浅い折り返し前の傾き$\alpha_{\mathrm{1,t}} \approx 0.51$および急な折り返し後の傾き$\alpha_{\mathrm{2,t}} \approx 1.58$を示す折り返しパワー則的フィットが得られ、プラトーから通常の後光フェーズへの遷移と整合的である。

Figure 2: Brightest phase of GRB 221009A (peaks P2 and P3). The upper panel shows the light curve as seen by KW in G2 (80–320 keV, dead-time and pileup corrected count rate, magenta), ART-XC (dead-time corrected count rate times 35, dark green), and by KW in the Z band (16.5–22 MeV, dead-time correc