[論文レビュー] Time-dependent photoelectric absorption, photoionization and fluorescence line emission in gamma-ray burst environments

M. Böttcher, C. D. Dermer+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ガンマ線バースト（GRB）環境における時間に依存する光電気的吸収、光電離、蛍光線放出を調査し、星形成が活発な密度の高い領域であっても、光電離が数週間から数年にわたり弱く遅れて発生する蛍光線放出を引き起こすことを示している。時間的に変化する鉄K端吸収特徴は、周囲物質の密度構造を明らかにし、赤方偏移の測定を可能にする。一方、強い光電気的吸収が観測される一部のBATSE GRBで見られる硬めの低エネルギースペクトルは、極めて高い金属量と異常な空間的分布を伴うことが必要である。

ABSTRACT

If gamma-ray bursts are associated with dense star-forming regions in young galaxies, photoelectric absorption by the dense circumburster material (CBM) will occur. As the burst evolves, the surrounding material is photoionized, leading to fluorescence line emission and reduced photoelectric absorption opacity. We have analyzed this process in detail, accounting for the time-dependent photoelectric absorption, photoionization and fluorescence line emission from the CBM. We find that even if GRBs are hosted in dense star-forming regions, photoionization of the GRB environment leads to a constant, but very weak level of delayed fluorescence line emission on timescales of weeks to years after the burst. A temporally evolving iron~K edge absorption feature can serve as diagnostic tool to reveal the density structure of the CBM and may provide an opportunity for redshift measurements. We also investigated whether photoelectric absorption could be responsible for the spectral evolution of the low-energy slopes of some bright BATSE $\\gamma$-ray bursts displaying extremely hard spectra below the peak energy, inconsistent with the optically-thin synchrotron shock model. We find that a very strong metal enrichment (~ 100 times solar-system abundances) in the gamma-ray burst environment and a rather peculiar spatial distribution of the CBM would be necessary in order to account for the observed hard spectra below a few 100 keV and their temporal evolution.

研究の動機と目的

• ガンマ線バーストを伴う密度の高い星形成領域における光電気的吸収および光電離の時間的進化を理解すること。
• 時間に依存する光電離が、GRB後光で観測された遅延した蛍光線発光を説明できるかどうかを評価すること。
• 一部の明るいBATSE GRBで観測された硬めの低エネルギースペクトル傾きを、光電気的吸収が説明できるかどうかを調査すること。
• 観測されたスペクトル特徴を生じさせるために必要な物理的条件（金属量や空間的分布など）を特定すること。

提案手法

• 放射移動およびイオン化平衡計算を用いて、周囲物質（CBM）の時間に依存する光電離をモデル化する。
• 特に鉄の時間変化するイオン化状態を組み込み、K殻遷移に起因する蛍光線発光を計算する。
• イオン化の進行に伴い時間的に変化する光電気的吸収の光学厚さ、特に鉄K端の変化をシミュレートする。
• GRB後光のスペクトルエネルギー分布モデルを用いて、時間に依存する吸収および発光特徴の期待値を計算する。
• A&Aジャーナルのスタイルと数値ツールを用いて、観測と比較可能な合成光曲線およびスペクトルを生成する。
• 金属量および空間密度プロファイルの変動が観測されるスペクトル進化に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周囲物質における時間に依存する光電離は、GRB後光で検出可能な遅延した蛍光線発光を生じさせ得るか？
• RQ2 鉄K端吸収特徴の時間的進化は、周囲物質の密度構造をどのように反映するか？
• RQ3 光電気的吸収のみで、一部の明るいBATSE GRBで観測された~300 keV未満の硬めの低エネルギースペクトル傾きを説明できるか？
• RQ4 硬スペクトルを持つGRBで観測されたスペクトル進化を生じさせるために、CBMに必要な金属量および空間的分布は何か？

主な発見

• 密度の高い星形成領域であっても、光電離が時間とともに光電気的吸収の光学厚さを低下させ、数週間から数年にわたり一定だが弱い遅延蛍光線発光を引き起こす。
• 時間的に変化する鉄K端吸収特徴は、周囲物質の密度構造を調査するための診断ツールとして機能する。
• 鉄K端エネルギーおよび深さの時間的進化を用いることで、赤方偏移の測定が可能になる可能性がある。
• 一部のBATSE GRBで観測される極めて硬い低エネルギースペクトルは、GRB環境における金属量が太陽値の約100倍に達する必要がある。
• 観測されたスペクトル進化を光電気的吸収によって説明するには、周囲物質の空間的分布が特異である必要がある。
• 観測された数100 keV未満でのスペクトル硬化を再現するには、高金属量と非一様な密度分布の組み合わせが不可欠である。