[論文レビュー] Smoking Gun or Smoldering Embers? A Possible r-process Kilonova Associated with the Short-Hard GRB 130603B

E. Berger, Wen‐fai Fong+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、短時間・高エネルギーのガンマ爆発GRB 130603Bの後続で観測された赤方偏移近赤外線発光が理論的モデルと一致することから、r過程核合成によって駆動されるキロノーバの強力な証拠を提示している。観測されたm(F160W)=25.8±0.2 ABマグニチュードの過剰発光と赤色（V–H>1.9マグニチュード）は、0.03–0.08 M☉の噴出物質量と0.1–0.3cの速度を持つ噴出物を示しており、短時間GRBの起源としてのコンact対象物合体を確認するとともに、将来の重力波探索におけるキロノーバの検出可能性を強調している。

ABSTRACT

We present ground-based optical and Hubble Space Telescope optical and near-IR observations of the short-hard GRB130603B at z=0.356, which demonstrate the presence of excess near-IR emission matching the expected brightness and color of an r-process powered transient (a kilonova). The early afterglow fades rapidly with alpha 29.3 AB mag. Instead, the detected source has m(F160W)=25.8+/-0.2 AB mag, corresponding to a rest-frame absolute magnitude of M(J)=-15.2 mag. The upper limit in the HST optical observations is m(F606W)>27.7 AB mag (3-sigma), indicating an unusually red color of V-H>1.9 mag. Comparing the observed near-IR luminosity to theoretical models of kilonovae produced by ejecta from the merger of an NS-NS or NS-BH binary, we infer an ejecta mass of M_ej~0.03-0.08 Msun for v_ej=0.1-0.3c. The inferred mass matches the expectations from numerical merger simulations. The presence of a kilonova provides the strongest evidence to date that short GRBs are produced by compact object mergers, and provides initial insight on the ejected mass and the primary role that compact object merger may play in the r-process. Equally important, it demonstrates that gravitational wave sources detected by Advanced LIGO/Virgo will be accompanied by optical/near-IR counterparts with unusually red colors, detectable by existing and upcoming large wide-field facilities (e.g., Pan-STARRS, DECam, Subaru, LSST).

研究の動機と目的

• 短時間・高エネルギーのガンマ爆発GRB 130603Bの後続放射に、r過程駆動キロノーバの特徴が現れているかどうかを特定すること。
• 中性子星またはブラックホール二重星合体から生じる短時間GRBの起源仮説を、関連する一時的放射の同定によって検証すること。
• 多波長光度測定を用いて、合体からの噴出物の質量と速度を制約すること。
• 今後の広視野光学/近赤外線調査におけるキロノーバ対応体の検出可能性を評価すること。
• コンパクト対象物合体が天体物理学的r過程の役割を果たすという仮説を観測的根拠で裏づけること。

提案手法

• 赤方偏移z=0.356のGRB 130603Bの後続放射を、地上望遠鏡およびハッブル宇宙望遠鏡（HST）を用いて光学（F606W）および近赤外線（F160W）バンドで光度測定した。
• 一時的放射の放射度密度と色を測定し、特に近赤外線過剰発光と、減衰する後続放射のパワー則（α=29.3 ABマグニチュード）からの逸脱に注目した。
• 中性子星–中性子星または中性子星–ブラックホール合体に起因する噴出物におけるr過程加熱に基づく理論的キロノーバモデルと観測値を比較した。
• 観測された静止系絶対マグニチュードM(J)=−15.2マグニチュードと色過剰を用いて、モデルフィッティングにより噴出物質量と速度を推定した。
• HSTの光学上昇限界（m(F606W)>27.7 ABマグニチュード、3σ）を適用して、源の赤色を確認し、標準的後続放射発光とは区別した。
• Pan-STARRS、DECam、Subaru、LSSTなどの既存および将来の広視野施設を用いて、このようなキロノーバの検出可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 130603Bの後続放射における観測された近赤外線発光は、r過程駆動キロノーバの期待される明るさと色と一致するか？
• RQ2 観測された一時的放射特性に基づいて、コンパクト対象物合体からの噴出物の質量と速度はどのように推定されるか？
• RQ3 観測された過剰発光は、相対論的流れによって駆動される標準的後続放射と区別できるか？
• RQ4 現在および将来の広視野調査を用いた重力波フォローアップ観測において、キロノーバ対応体を検出する可能性はどの程度か？
• RQ5 観測されたキロノーバは、短時間GRBが中性子星またはブラックホール二重星合体から生じるという仮説をどのように支持するか？

主な発見

• 一時的源は、α=29.3 ABマグニチュードの減衰後続放射よりもはるかに明るい近赤外線過剰発光（m(F160W)=25.8±0.2 ABマグニチュード）を示している。
• V–H>1.9マグニチュードの赤色色は、r過程崩壊によって駆動されるキロノーバと一致しており、光学上昇限界m(F606W)>27.7 ABマグニチュードによって裏付けられている。
• 静止系絶対マグニチュードM(J)=−15.2マグニチュードは、r過程駆動一時的放射の理論的モデルと一致するキロノーバの明るさを示している。
• 噴出物質量は、0.1–0.3cの噴出速度（v_ej）に対してM_ej≈0.03–0.08 M☉に制約され、二重星合体の数値シミュレーションと一致している。
• この検出は、短時間GRBがコンパクト対象物合体から生じるという仮説を、これまでで最も強い観測的証拠で裏づけている。
• 結果から、重力波源からのキロノーバは通常、非常に赤色色を示し、今後の広視野光学/近赤外線施設で検出可能であると示唆される。