[論文レビュー] Tale of GRB 171010A/SN 2017htp and GRB 171205A/SN 2017iuk: Magnetar origin?

Amit Kumar, Shashi B. Pandey+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 116被引用数 19

ひとこと要約

本研究は、3.6m Devasthal Optical Telescopeを用いた遅時刻光学光度測定と即時放射解析を用い、低光度ガンマ線バースト付随超新星GRB 171010A/SN 2017htpおよびGRB 171205A/SN 2017iukの磁気星起源仮説を検証する。MINIMコードを用いた半解析的光曲線モデリングにより、両GRB-SNeおよび超高出力超新星SN 2011klの全波長光曲線を最もよく再現するのは、自転減速するミリ秒磁気星中央エンジンであることが示され、これらの希少で高エネルギーな遷移的天体における磁気星起源が支持される。

ABSTRACT

We present late-time optical follow-up observations of GRB 171010A/SN 2017htp ($z$ = 0.33) and low-luminosity GRB 171205A/SN 2017iuk ($z$ = 0.037) acquired using the 4K$ imes$4K CCD Imager mounted at the 3.6m Devasthal Optical Telescope (3.6m DOT) along with the prompt emission data analysis of these two interesting bursts. The prompt characteristics (other than brightness) such as spectral hardness, T$_{90}$, and minimum variability time-scale are comparable for both the bursts. The isotropic $X$-ray and kinetic energies of the plateau phase of GRB 171205A are found to be less than the maximum energy budget of magnetars, supporting magnetar as a central engine powering source. The new optical data of SN 2017htp and SN 2017iuk presented here, along with published ones, indicate that SN 2017htp is one of the brightest and SN 21017iuk is among the faintest GRB associated SNe (GRB-SNe). Semi-analytical light-curve modelling of SN 2017htp, SN 2017iuk and only known GRB associated superluminous supernova (SLSN 2011kl) are performed using the $ exttt{MINIM}$ code. The model with a spin-down millisecond magnetar as a central engine powering source nicely reproduced the bolometric light curves of all three GRB-SNe mentioned above. The magnetar central engines for SN 2017htp, SN 2017iuk, and SLSN 2011kl exhibit values of initial spin periods higher and magnetic fields closer to those observed for long GRBs and H-deficient SLSNe. Detection of these rare events at such late epochs also demonstrates the capabilities of the 3.6m DOT for deep imaging considering longitudinal advantage in the era of time-domain astronomy.

研究の動機と目的

• SN 2017htpとSN 2017iukの磁気星起源仮説を、遅時刻光学観測を用いて検証すること。
• 両バーストの即時放射特性を、スペクトルの硬さ、T90、最小変動時標を焦点として比較すること。
• MINIMコードを用いた半解析的光曲線モデリングを通じて、SN 2017htp、SN 2017iuk、SLSN 2011klの駆動機構をテストすること。
• 爆発物質量、56Ni質量、運動エネルギー、磁気星の初期自転周期および磁場強度といった主要物理パラメータを制約すること。
• 他の遷移的天体クラス（sGRBs、EE-sGRBs、lGRBs、SLSNe I）と比較して、GRB-SNeの導出された磁気星パラメータ（初期自転周期および磁場）が、磁気星駆動天体の連続体を示すかを評価すること。

提案手法

• SN 2017htp（発生後約43日目）およびSN 2017iuk（発生後約105日目）について、3.6m Devasthal Optical Telescopeに搭載された4K×4K CCDイメージャーを用いて遅時刻光学光度測定を実施した。
• GRB 171010AおよびGRB 171205Aの即時放射データ解析を実施し、プラトー期における等方的X線エネルギーおよび運動エネルギーの計算を含んだ。
• 新規および既存の多バンド光学データを統合し、SN 2017htp、SN 2017iuk、SLSN 2011klの全波長光曲線を生成した。
• MINIMコードを用いた半解析的光曲線モデリングを実施し、3つの駆動メカニズム（放射性崩壊（RD）、磁気星の自転減速（MAG）、周囲星間物質との相互作用（CSMI））を検証した。
• モデルを全波長光曲線にフィットさせ、各超新星の最良適合パラメータ（初期自転周期Pi、磁場B、56Ni質量M_Ni、爆発物質量Mej）を特定した。
• 得られた磁気星パラメータ（PiおよびB）を、他の遷移的天体クラス（sGRBs、EE-sGRBs、lGRBs、SLSNe I）と比較し、磁気星駆動天体の連続体の可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ秒磁気星の自転減速は、GRB 171010A/SN 2017htpおよびGRB 171205A/SN 2017iukの観測された全波長光曲線を説明する妥当な駆動メカニズムであるか？
• RQ2 GRB 171205Aのプラトー期における等方的X線エネルギー（EX,iso）と運動エネルギー（EK,iso）は、磁気星の最大エネルギー予算を下回っており、低光度バーストの磁気星起源を支持するか？
• RQ3 MINIMコードによる半解析的光曲線モデリングは、これらのGRB-SNeの主な駆動源として、放射性崩壊、磁気星の自転減速、周囲星間物質との相互作用を区別できるか？
• RQ4 SN 2017htp、SN 2017iuk、SLSN 2011klの磁気星中心エンジンの推定初期自転周期および磁場はそれぞれいかほどであり、他の磁気星駆動天体と比較してどう異なるか？
• RQ5 sGRBs、lGRBs、SLSNe Iなどの他の天体クラスと比較して、GRB-SNeの磁気星パラメータ（初期自転周期および磁場）に物理的連続性が存在するか？

主な発見

• SN 2017iukの全波長光曲線は、磁気星の自転減速（MAG）モデルでのみ適切に再現され、物理的に妥当なパラメータを示す。一方、放射性崩壊（RD）および周囲星間物質との相互作用（CSMI）モデルはデータに適合しない。
• SLSN 2011klの全波長光曲線はMAGおよびCSMIモデルの両方で再現可能であるが、MAGモデルが物理的に整合性のある説明を提供する。
• MINIMコードによる半解析的光曲線モデリングにより、自転減速するミリ秒磁気星が、SN 2017htp、SN 2017iuk、SLSN 2011klの3つのGRB-SNeの光曲線を説明する共通の駆動源であることが示された。
• SN 2017iukの磁気星中心エンジンは、SN 2017htpおよびSLSN 2011klよりも初期自転周期が長く、磁場も強いが、3つの事象における爆発物質量は著しく異なるわけではない。
• GRB 171205Aの等方的X線エネルギー（EX,iso）は、調査されたサンプルで最も低く、運動エネルギー（EK,iso）も磁気星の最大エネルギー予算を下回っているため、低光度バーストの磁気星起源を支持する。
• 初期自転周期（Pi）および磁場（B）の比較により、3つのGRB-SNeはSLSNe IやlGRBsよりもPiが大きく、sGRBsよりも小さいことが判明。B値はSLSNe Iより大きく、lGRBsに近い。これは、異なる天体クラスにまたがる磁気星駆動天体の連続体が存在することを示唆する。