[論文レビュー] The Konus-Wind and Helicon-Coronas-F detection of the giant $\gamma$-ray flare from the soft $\gamma$-ray repeater SGR 1806-20

E. Mazets, T. Cline+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、コロナス・エフ衛星搭載のヘリコン機器が検出したコンプトン逆散乱光子を用いて、2004年12月27日にSGR 1806-20で発生した巨大γ線フレアの欠落した時間歴およびエネルギースペクトルを再構築している。コヌス・ウインド機器による直接観測と組み合わせることで、初期パルスのピーク放射度は9.2+5.6/-3.1 erg cm⁻² s⁻¹、全フラーレンスは0.61+0.35/-0.17 erg cm⁻²と推定され、指数的カットオフを伴うパワー・レイトスペクトル（α = -0.7、E₀ = 800 keV）であることが明らかになった。

ABSTRACT

The giant outburst from SGR 1806-20 was observed on 2004 December 27 by many spacecraft. This extremely rare event exhibits a striking similarity to the two giant outbursts thus far observed, on 1979 March 5 from SGR 0526-66 and 1998 August 27 from SGR 1900+14. All the three outbursts start with a short giant radiation pulse followed by a weaker tail. The tail pulsates with the period of neutron star rotation of $\\sim$5--8 s, to decay finally in a few minutes. The enormous intensity of the initial pulse proved to be far above the saturation level of the gamma-ray detectors, with the result that the most valuable data on the time structure and energy spectrum of the pulse is lost. At the time of the December 27 outburst, a Russian spacecraft Coronas-F with a $\\gamma$-ray spectrometer aboard was occulted by the Earth and could not see the outburst. It succeeded, however, in observing a weak reflected signal due to the $\\gamma$-rays Compton scattered by the Moon. This has been the first observation of a cosmic gamma-ray flare reflected from a celestial body. Here we report, that the detection of a weakened back-scattered initial pulse combined with direct observations by the Konus $\\gamma$-ray spectrometer on the Wind spacecraft permitted us to reliably reconstruct the intensity, time history, and energy spectra of the outburst.

研究の動機と目的

• コヌス・ウインド機器が初期パルス時に飽和したため、SGR 1806-20の巨大γ線フレアの時間歴およびエネルギースペクトルを再構築すること。
• コロナス・エフ衛星搭載のヘリコン機器が検出した月によるコンプトン逆散乱γ線を活用し、測定されなかった初期パルスの性質を推定すること。
• コロナス・エフで観測された弱いバーストが、月による巨大フレアの逆散乱に起因するという仮説を検証すること。
• モンテカルロシミュレーションと応答行列の畳み込みを用いて、初期パルスの固有スペクトルおよび時間的性質を特定すること。
• 等方的放射を仮定した場合の初期パルスの全エネルギー放出および全輝度を推定し、磁気星モデルに与える影響を評価すること。

提案手法

• コヌス・ウインド（時間分解能0.256 s）およびコロナス・エフのヘリコン機器（G1: 25–100 keV、G2: 100–450 keV）の時間歴を用いて、フレアの時間的・スペクトル的進化を分析した。
• GEANTコードを用いたモンテカルロシミュレーションにより、初期パルスが月で159.5°–159.9°の散乱角でコンプトン散乱を受ける様子をモデル化した。
• 20 keV–12 MeVのエネルギー範囲で月の逆散乱に対する応答行列を構築し、検出器応答と畳み合わせて観測スペクトルを模擬した。
• 観測スペクトルをパワー・レートに指数的カットオフを加えた形でフィットした：dN/dE = A (E/100)^α exp(−E/E₀)、ここでα = -0.7、E₀ = 800 keV。
• 散乱による信号の拡散および減衰を補正し、真の初期パルス幅が10–15 msであると推定した。
• 再構築されたパルスを用いて、信頼区間をパrameter不確実性解析から得て、全フラーレンスおよびピーク放射度を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コヌス・ウインド機器の検出器が飽和したにもかかわらず、SGR 1806-20の初期巨大γ線パルスの時間歴およびエネルギースペクトルを再構築することは可能か？
• RQ2 コロナス・エフのヘリコン機器が観測した弱いバーストは、月による巨大フレアのコンプトン逆散乱と整合的か？
• RQ3 月の逆散乱γ線を用いて推定される初期パルスの固有スペクトル的および時間的性質は何か？
• RQ4 初期パルスの全エネルギーフラーレンスおよびピーク放射度は何か？また、尾部放射と比較するとどうなるか？
• RQ5 導出されたエネルギー放出は、SGRの磁気星モデルにどのような意味を持つのか？

主な発見

• 初期パルスのピーク放射度は、月の逆散乱光子から再構築された結果、20 keV–10 MeVバンドで9.2+5.6/-3.1 erg cm⁻² s⁻¹であった。
• 初期パルスの全フラーレンスは、コンプトン散乱スペクトルへのフィットに基づき、0.61+0.35/-0.17 erg cm⁻²（90%信頼区間）と推定された。
• 初期パルスの最良フィットスペクトルモデルは、指数的カットオフを伴うパワー・レートである：dN/dE = A (E/100)^α exp(−E/E₀)、α = -0.7、E₀ = 800 keV。
• 真の初期パルスの持続時間は、月のディスク全体にわたる散乱による時間のぼやけを補正した結果、10–15 msと推定された。観測された150 msよりも短い。
• 初期パルスの全エネルギー放出は1.6 × 10⁴⁶ erg、ピーク輝度は2.5 × 10⁴⁷ erg s⁻¹と推定された。距離15 kpcを仮定した等方的放射を想定した場合の結果である。
• このエネルギー放出は、表面磁気双極子場が約10¹⁴ Gのニュートン星に蓄えられた磁気エネルギーと同等であり、このようなエネルギーが1回のパルスで放出されるならば、磁気星モデルに挑戦するものである。