[論文レビュー] Transition from Fireball to Poynting-flux-dominated Outflow in Three-Episode GRB 160625B

B.-B. Zhang, B. Zhang+52 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、3つの明確に分離された放射エピソードにわたり、時間分解スペクトル解析によって、熱的フレアボール支配の流れから非熱的でポインティングフラックス支配のジェットへと明確な遷移が観測されたGRB 160625Bを、特異な事例として提示する。最初の2つのサブバーストで観察される準熱的からバンド関数型スペクトルへの変化は、ジェット組成の変化を直接示す証拠を提供し、バリオンを多く含むフレアボールからポインティングフラックス支配の噴出物に進化するモデルを支持する。

ABSTRACT

The ejecta composition is an open question in gamma-ray bursts (GRB) physics. Some GRBs possess a quasi-thermal spectral component in the time-resolved spectral analysis, suggesting a hot fireball origin. Others show a featureless non-thermal spectrum known as the "Band" function, consistent with a synchrotron radiation origin and suggesting that the jet is Poynting-flux-dominated at the central engine and likely in the emission region as well. There are also bursts showing a sub-dominant thermal component and a dominant synchrotron component suggesting a likely hybrid jet composition. Here we report an extraordinarily bright GRB 160625B, simultaneously observed in gamma-rays and optical wavelengths, whose prompt emission consists of three isolated episodes separated by long quiescent intervals, with the durations of each "sub-burst" being $\sim$ 0.8 s, 35 s, and 212 s, respectively. Its high brightness (with isotropic peak luminosity L$_{ m p, iso}\sim 4 imes 10^{53}$ erg/s) allows us to conduct detailed time-resolved spectral analysis in each episode, from precursor to main burst and to extended emission. The spectral properties of the first two sub-bursts are distinctly different, allowing us to observe the transition from thermal to non-thermal radiation between well-separated emission episodes within a single GRB. Such a transition is a clear indication of the change of jet composition from a fireball to a Poynting-flux-dominated jet.

研究の動機と目的

• 複数の独立した放射エピソードを示す1つのガンマ線バーストにおけるジェット組成の進化を調査すること。
• GRB 160625Bにおける熱的から非熱的放射へのスペクトルの変化が、フレアボールからポインティングフラックス支配の流れへの遷移を示しているかどうかを特定すること。
• 明るいガンマ線バーストに対して高時間分解能の時間分解スペクトル解析を実施し、明確に分離された放射段階における放射メカニズムの変化を解明すること。
• 中心核の進化に伴い、バリオン支配からポインティングフラックス支配への噴出物へのシフトを予測する理論的モデルを検証すること。

提案手法

• Fermi-GBM、LAT、Konus-Wind、INTEGRAL、RHESSI、CALETのマルチウェーブ長データを用いた、プロンプト放射の時間分解スペクトルフィッティング。
• スペクトルエネルギー分布（SED）をモデル化するため、バンド関数および熱的（ブラックボディ）成分を3つの明確に分離されたサブバーストに適用。
• 短いプリカーソル（約0.8 s）、メインバースト（約35 s）、拡張放射（約212 s）の3つの放射エピソードにおけるスペクトルの進化を分析。
• モデルフィットの比較とスペクトル変化の有意性の評価に、ベイジアン情報基準（BIC）および自由度当たりのカイ二乗（χ²/dof）を用いる。
• マルチインストゥルメント・マルチウェーブ長の光曲線およびスペクトル解析により、スペクトルトレンドの妥当性と相互確認を確保。
• 後続放射の分離と放射源の制約のため、Swiftおよび地上望遠鏡の光学フォローアップデータを含める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 160625Bにおけるスペクトルの進化は、熱的フレアボールから非熱的でポインティングフラックス支配の流れへの遷移を示しているか？
• RQ2 GRB 160625Bの3つの独立した放射エピソードにわたり、スペクトル指数およびピークエネルギーはどのように変化するか？
• RQ3 スペクトル変化の物理的起源は何か—高温のフレアボールからの熱放射か、それともポインティングフラックス支配のジェットからのシンクロトロン放射か？
• RQ4 観測されたスペクトル遷移は、複数の独立した放射エピソードではなく、組成が進化する1つのジェットによって説明可能か？
• RQ5 中心核の活動が、長期間のガンマ線バーストにおけるバリオンを多く含む流れからポインティングフラックス支配の流れへのシフトを駆動する役割を果たすか？

主な発見

• 最初のサブバースト（約0.8 s）は、kT ≈ 35.0 keV の支配的熱成分と、α = -0.65 のややソフトなスペクトルを示し、高温のフレアボール由来と整合的である。
• 2番目のサブバースト（約35 s）は、E_p ≈ 302.6 keV、α = -0.85、β = -2.21 の硬い非熱的スペクトルを示し、ポインティングフラックス支配のジェットからのシンクロトロン放射を最もよく表している。
• 3番目のサブバースト（約212 s）は、E_p ≈ 454 keV のより硬いスペクトル（α = -0.54、β = -1.70）を示し、ポインティングフラックス支配が継続しているか、遷移段階にある可能性を示唆している。
• 明確に分離されたエピソードにわたり、熱的から非熱的放射へのスペクトルの進化は、フレアボールからポインティングフラックス支配の流れへのジェット組成の変化を直接観測的に裏付ける証拠を提供する。
• L_p,iso ≈ 4 × 10^53 erg/s の等方的ピーク全放射度により、高SN比のスペクトル解析が可能となり、遷移の明確な解明が可能となった。
• 時間分解スペクトル解析では、スペクトル指数およびピークエネルギーの明確なシフトが観測され、PGSTAT/dofは第1エピソード（3799.78/360）から第2エピソード（1724.41/360）にかけて顕著に改善しており、非熱的モデルへのフィットが優れていることが示された。