[論文レビュー] What did we learn from the extremely bright gamma ray bursts 990123 and 080319B?

S. Dado, Arnon Dar|ArXiv.org|Dec 17, 2008

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、高密度の風環境下での逆コンプトン散乱（ICS）と磁気放射（SR）を用いたカノンボール（CB）モデルが、新しい物理法則を必要とせず、2つの最も明るいガンマ爆発（GRB）990123および080319Bの多波長光曲線をうまく説明できることを示している。モデルは、初期放射、後光、スペクトルの進化、および光学ピークの遅延を包括的に説明でき、火球モデルよりも単純かつ一貫性のある記述を提供する。

ABSTRACT

The two brightest and so far the best studied gamma ray bursts (GRBs), 990123 and 080319B, were ordinary, highly collimated GRBs produced in a core collapse supernova explosion within a high-density wind environment and observed from a very near-axis viewing angle. Inverse Compton scattering (ICS) and synchrotron radiation (SR), the two dominant radiation mechanisms in the cannonball (CB) model of GRBs, together with the burst environment, provide a very simple and sufficiently accurate description of the multiwavelength lightcurves of their prompt and afterglow emissions.

研究の動機と目的

• カノンボールモデルが、GRB 990123および080319Bの極めて明るい特徴と多波長光曲線を一貫して説明できるかどうかを評価すること。
• スペクトルと時間の分離や色分けされたブレークといった重要な観測的特徴を説明できない火球モデルの限界を示し、それを挑戦すること。
• カノンボールモデルが、第一原理から導かれる予測が、これらの2つのGRBの観測された初期放射および後光放射を正確に再現できることを示すこと。
• モデルが、高エネルギーX線／ガンマ線と光学ピークの間の相関がないこと、および観測された偏光の傾向を説明できることを強調すること。

提案手法

• カノンボールモデルは、主に逆コンプトン散乱（ICS）と磁気放射（SR）を放射メカニズムとして用いる。
• モデルは、コア崩壊超新星から発する高エネルギーの細いジェットを想定し、高密度の風環境下で発生し、観測はほぼ軸上方向から行われると仮定する。
• ICSスペクトルの時間的ピークエネルギーは、$ E_p(t) \approx E_p(0) t_p^2 / (t_p^2 + t^2) $ としてモデル化され、これがスペクトル進化を支配する。
• モデルは、定常密度の銀河間物質（ISM）に吹き出された風環境を組み込み、スペクトル的および時間的変化を説明する。
• 光曲線の形状は、ICSおよびSR放射の合成的効果から導かれ、ブレーク周波数はジェットの進行経路に沿った密度変化に依存する。
• 理論的予測は、BATSE、BeppoSAX、Swift、および地上望遠鏡からの多波長データと直接比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カノンボールモデルは、追加の物理法則を必要とせず、2つの最も明るいGRB 990123および080319Bの初期放射および後光放射の光曲線を説明できるか？
• RQ2 火球モデルの予測とは対照的に、これらのGRBにおける初期光学放射が高エネルギーX線およびガンマ線放射よりも遅れるのはなぜか？
• RQ3 カノンボールモデルは、後光光曲線における色分けされた振る舞いとジェットブレークの欠如を説明できるか？
• RQ4 これらの近軸方向の爆発において、初期放射の偏光が低くなるのはなぜか？これは通常のGRBの予測とは対照的である。
• RQ5 カノンボールモデルは、風環境内での衝突から検出可能な高エネルギー光子フラックスを予測できるか？

主な発見

• カノンボールモデルは、調整可能なパラメータも新しい物理法則も必要とせず、ICSとSRのみを用いてGRB 990123および080319Bの多波長光曲線を正確に再現できた。
• 観測された高エネルギーX線／ガンマ線と光学ピークの間の遅延は、モデルによって自然に説明され、火球モデルの予測とは対照的に、ピークが相関しているとは限らない。
• モデルは、後光光曲線の色分けされた性質を説明でき、標準火球モデルの予測とは対照的に、色分けされないジェットブレークとは異なる振る舞いを再現した。
• スペクトル進化、特に遅い時間における $ \beta_O(0) \sim 0.5 $ から $ \beta_O(t) \sim 1.1 $ への遷移も、モデルによって良好に再現された。
• モデルは、これらの近軸方向の爆発において、初期X線およびガンマ線放射の偏光が低くなると予測し、観測結果と一致した。これは、非軸上GRBでは高偏光が予測されるのとは対照的である。
• モデルは、電子がカノンボールに引き込まれる際に発生する「グロリー光」のICSから、検出可能なGeV未満の光子フラックスを予測した。また、ハドロン衝突から、TeV未満の光子およびわずかなニュートリノフラックスも予測され、将来的な観測による検証が可能となる。