[論文レビュー] The Jet Opening Angle and Event Rate Distributions of Short Gamma-ray Bursts from Late-time X-ray Afterglows

Alicia Rouco Escorial, Wen‐fai Fong+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、チャンドラとXMM-ニュートンのデータを用いて29個の短時間ガンマ線バースト（SGRBs）の遅発X線後光を分析し、ジェット開口角を測定し、真のイベント発生率を推定した。中央値として約6.1°のジェット開口角が得られ、全サンプルの約28％を占める広がったジェット（θⱼ ≳ 10°）の存在が特定された。また、ビーミング補正後のイベント発生率は360–1800 Gpc⁻³ yr⁻¹と算出され、二重中性子星合体が支配的起源チャネルであることに整合的である。

ABSTRACT

We present a comprehensive study of 29 short gamma-ray bursts (SGRBs) observed $\approx 0.8-60$ days post-burst using $Chandra$ and $XMM-Newton$. We provide the inferred distributions of SGRB jet opening angles and true event rates to compare against neutron star merger rates. We perform uniform analysis and modeling of their afterglows, obtaining 10 opening angle measurements and 19 lower limits. We report on two new opening angle measurements (SGRBs 050724A and 200411A) and eight updated values, obtaining a median value of $\langle θ_{ m j} angle \approx 6.1^{\circ}$ [-3.2$^{\circ}$,+9.3$^{\circ}$] (68\% confidence on the full distribution) from jet measurements alone. For the remaining events, we infer $θ_{ m j}\gtrsim 0.5-26^{\circ}$. We uncover a population of SGRBs with wider jets of $θ_{ m j} \gtrsim 10^{\circ}$ (including two measurements of $θ_{ m j} \gtrsim 15^{\circ}$), representing $\sim 28\%$ of our sample. Coupled with multi-wavelength afterglow information, we derive a total true energy of $\langle E_{ m true, tot} angle \approx 10^{49}-10^{50}$\,erg which is consistent with MHD jet launching mechanisms. Furthermore, we determine a range for the beaming-corrected event rate of $\mathfrak{R}_{ m true} \approx360-1800$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$, set by the inclusion of a population of wide jets on the low end, and the jet measurements alone on the high end. From a comparison with the latest merger rates, our results are consistent with the majority of SGRBs originating from binary neutron star mergers. However, our inferred rates are well above the latest neutron star-black hole merger rates, consistent with at most a small fraction of SGRBs originating from such mergers.

研究の動機と目的

• 遅発X線後光データを用いて、短時間ガンマ線バースト（SGRBs）のジェット開口角分布を特定すること。
• ジェット開口角の測定値と下限値を組み合わせることで、真の（ビーミング補正済み）SGRBイベント発生率を推定すること。
• 推定されたSGRB発生率が、二重中性子星（BNS）および中性子星–ブラックホール（NS–BH）系からの理論的合体率と整合的かどうかを検証すること。
• 多波長後光モデル化を用いて、SGRBのエネルギー効率とジェット特性を評価すること。
• 大規模で一貫性のあるSGRBサンプルに対して一様な解析とモデリングを適用することで、先行研究を改善すること。

提案手法

• 後光減衰の挙動を特徴付けるために、単一、二重、三重のパワーロウモデルを用いて一様にX線光度曲線をフィッティングした。
• F検定を用いて、自由パrameter数が異なるネストドモデル間の差を比較し、各SGRBに対して最適なモデルを選択した。
• 最良適合モデルから得られたX線フラックス減衰指数とブレーク時刻を用い、相対論的ジェットの減速とビーミング補正を通じてジェット開口角（θⱼ）を推定した。
• 明確なブレーク特徴がない源については、ブレークが観測期間を超えて発生したと仮定し、θⱼの下限値を算出した。
• 測定値および下限値のθⱼを組み合わせて、全真のエネルギー（E_true,tot）とビーミング補正済みイベント発生率（ℛ_true）を推定した。
• 高解像度のチャンドラデータを用いてX線光度曲線の背景汚染物質を補正し、長期的後光曲線のフラックス精度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遅発X線後光で観測された統計的に有意なサンプルにおける短時間ガンマ線バーストのジェット開口角分布は何か？
• RQ2 真の（ビーミング補正済み）短時間ガンマ線バーストのイベント発生率は何か？ また、理論的合体率と比較するとどうなるか？
• RQ3 広がったジェット（θⱼ ≳ 10°）はSGRB集団にどの程度寄与しているか？ これにより、起源モデルにどのような示唆が得られるか？
• RQ4 推定されたSGRBの全エネルギーは、磁気流体力学的（MHD）ジェット発生メカニズムと整合的か？
• RQ5 観測されたSGRB発生率は二重中性子星合体と整合的か？ それとも、中性子星–ブラックホール合体が重要な割合を占めている可能性はあるか？

主な発見

• 測定されたSGRBの中央値ジェット開口角は⟨θⱼ⟩ ≈ 6.1°であり、全分布の68％信頼区間は[−3.2°, +9.3°]である。
• θⱼ ≳ 10°の広がったジェットの集団が特定され、サンプル全体の約28％を占め、うち2件はθⱼ ≳ 15°であった。
• 推定されたビーミング補正済みイベント発生率はℛ_true ≈ 360–1800 Gpc⁻³ yr⁻¹であり、下限は広がったジェット集団によって、上限は測定されたジェット角によって決定された。
• SGRBの全真のエネルギーは⟨E_true,tot⟩ ≈ 10⁴⁹–10⁵⁰ ergであり、MHDジェット発生メカニズムと整合的である。
• 推定されたSGRB発生率は二重中性子星合体が支配的起源チャネルであることに整合的であるが、最新の中性子星–ブラックホール合体率を大幅に上回っており、SGRBのわずか少数がこのような系に起因していると示唆される。
• 高解像度のチャンドラデータにより、GRB 130603Bの以前に考慮されなかった汚染源が補正され、長期的後光光度曲線のフラックス精度が向上した。