[論文レビュー] Subphotospheric heating in GRBs: analysis and modeling of GRB090902B as observed by Fermi

T. Nymark, M. Axelsson+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、光球層下での散逸——光球層以下のエネルギー放出——が、GRB 090902Bにおけるスペクトル進化を説明できると提唱している。これは、プランク型の熱的スペクトルが非熱的形状のバンド型スペクトルに変化する現象を説明するものである。放射過程の数値モデルを用いて、散逸の強度や場所を変化させることで観測されたスペクトル形状を再現できることを示しており、光球層発光がガンマ爆発脈動星（GRB）における主要因であることを確認している。

ABSTRACT

We analyze the spectral evolution of GRB 090902B and show that subphotospheric dissipation can explain both the spectra and the spectral evolution. The emission from a GRB photosphere can give rise to a variety of spectral shapes. The spectrum can have a shape close to that of a Planck function (as is observed during the first half of GRB090902B) or be broadened, resembling a typical Band function (as is observed during the second half of GRB090902B). The shape mainly depends on the strength and location of the dissipation in the jet, the ratio of the energy densities of thermal photons and of the electrons at the dissipation site, as well as on the strength of the magnetic field. We further discuss numerical models of the dissipation and relate these to the observed spectra.

研究の動機と目的

• GRB 090902Bにおけるスペクトル多様性の起源を調査し、特にプランク型からバンド型スペクトルへの遷移を特定すること。
• 初期から非熱的成分が支配的である必要がない条件下で、光球層下での散逸が観測されたスペクトル進化を説明できるかどうかを検証すること。
• 光球層以下の放射過程をモデル化し、その出射スペクトルに与える影響を評価すること。
• ローレンツ因子の変化や散逸強度の変化が、GRB 090902Bにおける観測されたスペクトル進化をどのように説明できるかをテストすること。
• 現実的な散逸条件下で、光球層発光が自然に非熱的スペクトルに似た形状を生成できることを確立すること。

提案手法

• シンクロtron放射、シンクロtron自己吸収（SSA）、コンプトン散乱、対生成／消失、電磁気的カスケードを含む自己一貫性のあるコードを用いた相対論的流れにおける放射過程の数値モデル化。
• 光学的厚さτ = 10における散逸をモデル化し、運動エネルギーの割合εdが散逸されると仮定。εeとεBはエネルギーを電子と磁場に割り当てる。
• 観測されたスペクトル形状を再現するために、光球層からの出射スペクトルを、散逸強度（εd = 0.1および0.2）を変化させながらシミュレート。
• GRB 090902Bの時間分解型Fermiデータと比較し、時間経過に伴うスペクトル進化に注目する。
• 初期の急勾配成分にはマルチカラー黒体モデルを、後期の広帯域成分にはバンド関数を適合させる。
• ローレンツ因子の変化が光球層位置に与える影響を分析し、散逸が光球層上から下にシフトする仕組みを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光球層下での散逸は、GRB 090902Bにおけるプランク型からバンド型スペクトルへの遷移を説明できるか？
• RQ2 バンド型形状を光球層発光から生成するためには、散逸強度、磁場、電子エネルギー割合といったどのような物理的条件が必要か？
• RQ3 散逸の場所（光球層上または下）が観測スペクトル形状に与える影響は何か？
• RQ4 ローレンツ因子の変化が、散逸位置を光球層下にシフトさせ、スペクトルを変化させる役割を果たすか？
• RQ5 光球層発光だけが、GRB 090902Bにおける観測されたスペクトル成分を説明できるのか、それとも別個の非熱的成分が必要か？

主な発見

• GRB 090902Bの初期段階では、マルチカラー黒体に一致する急勾配で狭帯域のスペクトル成分が観測され、光球層発光を強く示唆している。
• 後期段階では、バンド関数に良好に適合する広帯域スペクトルが観測され、熱的成分が光球層下での散逸によって顕著に変化したことを示している。
• 数値モデルでは、強い光球層下散逸（εd = 0.2）がプランク型スペクトルをバンド型形状に変換でき、観測結果と一致することが示された。
• 弱い散逸（εd = 0.1）ではスペクトルはプランク関数に近く、強度が増すとスペクトルが広がり、非熱的特徴が顕著になる。
• GRB 090902Bにおけるスペクトル進化は、散逸位置が光球層上から下にシフトしたことに起因すると最もよく説明される。これはローレンツ因子の変化によるものと考えられる。
• 本研究では、光球層発光が、光球層下でのエネルギー散逸がある限り、非熱的と見えるスペクトルでさえも、一般的で妥当なGRBスペクトルの起源であると結論づけた。