[論文レビュー] The SKA view of Gamma-ray Bursts

D. Burlon, G. Ghirlanda+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、スカイ・キロメートルアレイ（SKA）が、地球を向いたほぼすべてのガンマ爆発（GRB）を検出可能にする高頻度・深さのある電波調査を可能にすることで、GRB研究を画期的に変革すると予測している。また、地球とは向き合っていないジェットからの『オーファン後の輝光』—地球から見えないが、電波で検出可能な放射—を日常的に観測可能となる。SKAは、非相対論的遷移を含め、後期までの後光曲線を追跡でき、GRBのエネルギー予算、周囲媒体の密度プロファイル、衝撃波の微視的物理学について、未曾有の洞察を提供する。

ABSTRACT

Gamma-ray bursts (GRBs) are some of the most extreme events in the Universe. As well as providing a natural laboratory for investigating fundamental physical processes, they might trace the cosmic star formation rate up to extreme redshifts and probe the composition of the intergalactic medium over most of the Universe's history. Radio observations of GRBs play a key part in determining their physical properties, but currently they are largely limited to follow-up observations of $γ$-ray-detected objects. The SKA will significantly increase our ability to study GRB afterglows, following up several hundred objects in the high frequency bands already in the "early science" implementation of the telescope. SKA1-MID Bands 4 (4 GHz) and 5 (9.2 GHz) will be particularly suited to the detection of these transient phenomena. The SKA will trace the peak of the emission, sampling the thick-to-thin transition of the evolving spectrum, and follow-up the afterglow down to the time the ejecta slow down to non-relativistic speeds. The full SKA will be able to observe the afterglows across the non-relativistic transition, for ~25% of the whole GRB population. This will allow us to get a significant insight into the true energy budget of GRBs, probe their surrounding density profile, and the shock microphysics. The SKA will also be able to routinely detect the elusive "orphan afterglow" emission, from the population of GRBs whose jets are not pointed towards the Earth. We expect that a deep all-sky survey such as SKA1-SUR will see around 300 orphan afterglows every week. We predict these detection to be >1000 when the full SKA telescope will be operational.

研究の動機と目的

• 深く広域にわたる電波調査を通じて、SKAがGRBを研究する上でもたらす画期的な可能性を評価すること。
• ジェットの向きによってガンマ線で観測できないGRBの後光の検出率を定量化すること。
• SKAの観測が、特に非相対論的遷移を含むGRB後光の全過程をどのように追跡できるかをモデル化すること。
• 感度の限界により従来検出できなかった『オーファン後の輝光』—非対向ジェットからの放射—をSKAがどの程度検出・特徴づけられるかを評価すること。
• SKAが、光学およびX線のGRB研究と同等の包括性を電波分野にもたらす役割を確立すること。

提案手法

• 標準的なシンクロトロン衝撃モデルとジェットの減速力学を用いた、電波周波数域におけるGRB後光曲線のシミュレーション。
• 観測されたGRB集団とスペクトル進化モデルから導出された電流密度分布を用いた検出率の推定。
• SKA1-MID Bands 4（4 GHz）および5（9.2 GHz）、およびSKA1-SURの全天調査パラメータを用いた感度限界（F_lim）の適用。
• 1000時間の積分と5σ検出を仮定し、PAFバンドにおけるオーファン後の輝光の週間検出率を統計モデルで予測。
• ビームおよび解像度効果の組み込み、特にサブミリ秒角解像度を実現するVLBI能力を用いて、オーファン後の輝光と他の遅延的変動天体を区別すること。
• ASKAPなどのプロトタイピング機器と比較して、SKAの各フェーズ（初期科学：SKA1、完全版SKA2、およびパスファイナーデバイス）における検出率の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAの初期科学フェーズでは、どの程度のGRB後光が検出可能であり、現在の検出率と比べてどうなるか？
• RQ2 完全版SKAは、電波光曲線の非相対論的遷移を含め、全GRB集団のどの程度をカバーして追跡できるか？
• RQ3 深さのある全天調査において、SKAは週に何個の『オーファン後の輝光』—非対向ジェットからの放射—を検出できるか？
• RQ4 多周波数電波スペクトルと高解像度画像を用いて、SKAはオーファン後の輝光を他の遅延的変動天体と区別できるか？
• RQ5 SKAの観測は、GRBのエネルギー予算、周囲媒体の密度プロファイル、衝撃波の微視的物理学に関する制約をどの程度改善できるか？

主な発見

• SKA1-SURの全天調査では、週に約300個のオーファン後の輝光が検出可能であり、完全版SKA（SKA2）では1,000個を超える検出率にまで上昇する。
• SKA1-MID Bands 4（4 GHz）および5（9.2 GHz）は、スペクトル進化における厚い膜から薄い膜への遷移をサンプリングするのに特に適している。
• 完全版SKAは、全GRB集団の約25％の後光曲線を、非相対論的遷移を含めて追跡可能となる。
• SKAは、地球を向いたジェットを持つGRBをほぼ完全に検出可能となり、光学およびX線バンドと同等の高密度な電波光曲線が得られる。
• 多周波数のSKA観測により、長基線VLBIによるサブミリ秒角解像度で膨張速度を測定可能となり、オーファン後の輝光と電波超新星を区別できる。
• SKA1-SUR調査では、PAFバンド1（0.7 GHz）で週に357個のオーファン後の輝光が予測され、感度と電流限界に応じてPAFバンド3（4.0 GHz）では237個に減少する。