[論文レビュー] Self-Similarities and Power-laws in the Time-resolved Spectra of GRB 190114C, GRB 130427A, GRB 160509A, and GRB 160625B

Lichen Liang, R. Ruffini+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、フェルミ-GBMおよびフェルミ-LATデータを用いて、4つの長期間継続するガンマ爆発（GRB 130427A、GRB 160509A、GRB 160625B、GRB 190114C）に対して高度な時間分解スペクトル解析を適用し、超相対論的プロンプト放射（UPE）段階において自己相似構造およびべき乗則スケーリングを明らかにした。研究では、10^{-14}秒という短い timescale での~10^37 ergの量子化された放出プロセスが確認され、二重中性子星系におけるブラックホール形成の統一的物理モデル（BdHNe I）を支持する。

ABSTRACT

[Shortened] CONTEXT: [...] AIMS: To identify and verify the BdHNe I properties in the additional sources GRB160509A, GRB160625B and GRB1340427A, and compare and contrast the results with the ones of a BdHN II source GRB180728A. We have also identified in all four sources, following the analysis GRB 130427A in the companion paper, the GeV radiation during and following the UPE phase. Also in all the four sources, we describe the spectral properties of their afterglow emission, including the mass estimate of the $ν$NS, following the results presented in the companion paper. METHODS: [...] RESULTS: The results of the spectral analysis have validated the common properties in all BdHNe I: the three Episodes as well as the self-similar structures and the associated power-laws in the UPE phase. The profound similarities of the results have made a significant step forward in the taxonomy of GRBs and in evidencing a standard composition of the BdHN I. This opens the opportunity of a vaster inquire of the astrophysical nature of their components in the population synthesis approach: e.g., the BH formation in all BdHN I occurs due to accretion of the SN ejecta in a tight binary system with a neutron star companion which reaches its critical mass, leading to the formation of the BH. The SN-rise in all five BdHNe are compare and contrasted. CONCLUSIONS: The most far reaching discovery of self-similarities and power-laws here extensively confirmed, thanks also to the conclusions presented in the companion papers, leads to the existence of a discrete quantized repetitive polarized emission, both in the GeV and MeV observed by {\it Fermi}-GBM and {\it Fermi}-LAT, on a timescale as short as $10^{-14}$s. These results open new paths in the discovery of fundamental physical laws.

研究の動機と目的

• GRB 190114C以外の複数のBdHNe I源において、3つの明確なスペクトルエピソード（SN上昇、BH形成（UPE）、キャビティ）が存在するかを検証すること。
• GRB 190114Cで以前に観測されたUPE段階における自己相似構造およびべき乗則スケーリングが、BdHNe I全般に普遍的であるかを検証すること。
• BdHNe II（例：GRB 180728A）と対比させることで、SN上昇段階のエネルギーおよび二重系の進化における相違点を強調すること。
• 高信頼度・明るいバーストの時間分解解析に基づいて、GRBに標準化されたスペクトル分類法を確立すること。
• 観測されたスペクトル特徴を、離散的量子化放射および前SNコアの回転エネルギーを含む基本的物理過程と結びつけること。

提案手法

• 各GRBのUPE段階において、時間スケールを段階的に短くした繰り返し時間分解スペクトルフィッティングを実施した。
• 3つの明確なスペクトルエピソードを特定した：SN上昇（カットオフパワーロー法＋ブラックボディ）、BH形成（自己相似性を示すUPE）、キャビティ（特徴のないスペクトル）。
• UPE段階にピルアップ問題が生じたが、それでもGRB 130427Aに対して同じ解析を実施した。
• フェルミ-GBMおよびフェルミ-LATデータを用いて、全源におけるGeV放射および後光放射段階を解析した。
• BdHNe II（GRB 180728A）と比較することで、SN上昇段階のエネルギーおよび軌道的進化の相違点を強調した。
• COコア内の回転エネルギーおよび安定性限界（E_rot/|W| ≈ 0.14–0.25）の理論的モデルを組み込み、SN上昇段階のエネルギーを解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 190114Cで同定された3つのスペクトルエピソード（SN上昇、UPE、キャビティ）は、GRB 130427A、GRB 160509A、GRB 160625Bなど他のBdHNe I源にも同様に存在するか？
• RQ2 UPE段階における自己相似構造およびべき乗則スケーリングは、BdHNe I全般に普遍的であるか、それともGRB 190114Cに特有のものか？
• RQ3 BdHNe IにおけるSN上昇エネルギーは、BdHNe IIと定量的に比較してどのように異なるか？また、これは前SNコアの回転速度および二重系進化に何を示唆するか？
• RQ4 10^{-14}秒スケールで~10^37 ergの離散的量子化放射が観測される物理的起源は何か？
• RQ5 観測されたスペクトル特徴は、密な二重系における降着によるブラックホール形成の統一的モデルで一貫して説明可能か？

主な発見

• SN上昇、UPE、キャビティの3つのスペクトルエピソードは、GRB 130427A、GRB 160509A、GRB 160625B、GRB 190114Cで一貫して同定され、BdHNe Iにおける普遍性が確認された。
• 自己相似構造およびUPE段階におけるべき乗則スケーリングは、4つのすべてのBdHNe I源で確認され、共通の物理的メカニズムが存在することが示された。
• 離散的量子化放射プロセスは、10^{-14}秒という短いスケールで~10^37 ergの量子として観測され、共同論文で以前に報告された内容と一致した。
• BdHNe IにおけるSN上昇段階は、最大で~10^52 ergの高い回転エネルギーを示し、E_rot/|W| ≈ 0.05–0.25である。これは高い前SNコア回転速度と整合的である。
• 全源における後光放射は、SN爆発後に形成されたνNS（ニュートリノ駆動型中性子星）からのフィードバックと整合的であり、間接的証拠としてSN発生が裏付けられた。
• BdHNe II（例：GRB 180728A）におけるSN上昇エネルギーははるかに低く（~10^49–10^50 erg）、弱い二重系相互作用および長い軌道周期のため、孤立型超新星に類似している。