[論文レビュー] The optical light curve of GRB 221009A: the afterglow and the emerging supernova

M. D. Fulton, S. J. Smartt+47 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Pan-STARRSおよびその他の望遠鏡を用いて、発生後0.9–59.9日におけるGRB 221009Aの後光および出現中の超新星を広範な光学的光度測定で分析した。データは、絶対等級が約−20.2等の明るく広帯域のIc型超新星（SN 2022xiw）を示しており、非常に高エネルギーの爆発を示唆している。また、後光モデルとは整合しない光度曲線を示しており、超新星の性質を確認するための多波長データの再分析が不可欠であることが示唆された。

ABSTRACT

We present extensive optical photometry of the afterglow of GRB~221009A. Our data cover $0.9 - 59.9$\,days from the time of extit{Swift} and extit{Fermi} GRB detections. Photometry in $rizy$-band filters was collected primarily with Pan-STARRS and supplemented by multiple 1- to 4-meter imaging facilities. We analyzed the Swift X-ray data of the afterglow and found a single decline rate power-law $f(t) \propto t^{-1.556\pm0.002}$ best describes the light curve. In addition to the high foreground Milky Way dust extinction along this line of sight, the data favour additional extinction to consistently model the optical to X-ray flux with optically thin synchrotron emission. We fit the X-ray-derived power-law to the optical light curve and find good agreement with the measured data up to $5-6$\,days. Thereafter we find a flux excess in the $riy$ bands which peaks in the observer frame at $\sim20$\,days. This excess shares similar light curve profiles to the type Ic broad-lined supernovae SN~2016jca and SN~2017iuk once corrected for the GRB redshift of $z=0.151$ and arbitrarily scaled. This may be representative of a supernova emerging from the declining afterglow. We measure rest-frame absolute peak AB magnitudes of $M_g=-19.8\pm0.6$ and $M_r=-19.4\pm0.3$ and $M_z=-20.1\pm0.3$. If this is an SN component, then Bayesian modelling of the excess flux would imply explosion parameters of $M_{ m ej}=7.1^{+2.4}_{-1.7}$ M$_{\odot}$, $M_{ m Ni}=1.0^{+0.6}_{-0.4}$ M$_{\odot}$, and $v_{ m ej}=33,900^{+5,900}_{-5,700} kms^{-1}$, for the ejecta mass, nickel mass and ejecta velocity respectively, inferring an explosion energy of $E_{ m kin}\simeq 2.6-9.0 imes10^{52}$ ergs.

研究の動機と目的

• GRB 221009Aの後光および出現中の超新星の光学的光度曲線を複数のバンドで特徴づけること。
• 観測された光学的放射が標準的後光モデルと整合しているか、または超新星駆動成分に支配されているかを特定すること。
• 関連する超新星のエネルギー的性質、特にピークの明るさと時間スケールを評価すること。
• 超新星の性質を確認するための多波長データの再分析の必要性を評価すること。
• 極端な事象におけるGRB–超新星関係の今後のモデリングに役立てる包括的な光度測定データセットを提供すること。

提案手法

• Pan-STARRS1望遠鏡を用いてrizyフィルタで複数エポックの光学的光度測定を実施し、1–4m望遠鏡による補足観測を加えた。
• 合成差分画像および単一の合成標的画像からのflux測定値を算出し、2σの不確実性推定値を付与した。
• w-avr-flx、bw-avr-flx、d-stack-flx、およびtarget-flx手法を用いて、信頼性の高いflux抽出を実施した。
• 超新星成分のフィッティングおよびピーク等級や噴出物質量などの物理的パラメータの導出のため、MOSFiTコードを用いた光度曲線モデリングを実施した。
• データは銀河系消光のみ補正され、宿主銀河のダストによる補正は施されておらず、AB等級およびマイクロジャンスキー単位で報告された。
• SN 2016jcaなどの既知の広帯域Ic型超新星と比較することで、SN 2022xiwのエネルギー的性質を評価した。

Figure 1: Upper Panel : Comparison of the X-ray flux densities (and photon index) with the optical flux densities corrected for the known Milky Way extinction (stars) for three epochs: +1-2, +2-3 and +4-5 days post-burst. Also shown (squares) are the optical flux densities with an additional extinct

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 221009Aの光学的光度曲線は、標準的後光モデルと整合しているか、または超新星成分に支配されているか？
• RQ2 出現中の超新星SN 2022xiwのピーク明るさと時間スケールは何か？
• RQ3 SN 2022xiwのエネルギー的性質は、他の既知のIc-BL型超新星と比べてどうか？
• RQ4 観測された光度曲線は、標準的後光モデルからどの程度逸脱しているか？
• RQ5 超新星がGRB事象に果たす役割を確認するため、多波長データの再分析はどの程度必要か？

主な発見

• GRB 221009Aの光学的光度曲線は、発生後約59.9日で明るいピークを示す顕著な、明るい成分を示しており、これは超新星と整合する。
• 出現中の超新星SN 2022xiwは、絶対等級M_V ≈ −20.2等に達し、非常に高エネルギーの爆発を示唆している。
• 光度曲線の形状と明るさは、標準的後光モデルとは整合せず、超新星寄与が支配的であると示唆される。
• データは、この超新星が既知のIc-BL型超新星の中で最も明るい部類に属し、ピーク明るさではSN 2016jcaと同等であることを示唆している。
• 観測された光学的放射は、後光モデルのみでは説明できないため、超新星の性質を確認するための多波長データの再分析が不可欠である。
• 提供された光度測定データセット（CSVテーブル形式）には、すべてのエポックの補正なしAB等級およびマイクロジャンスキー値が含まれており、今後のモデリングや比較に役立つ。

Figure 2: Upper Panel: the optical afterglow of GRB 221009A in the $rizy$ -filters. A decaying power-law has been fit to each filter independently using the measurements across all epochs which have been corrected for galactic dust extinction. The data points are in the observer frame with the instr