[論文レビュー] X-Ray Afterglow Plateaus of Long Gamma-Ray Bursts: Further Evidence for Millisecond Magnetars

Shu-Xu Yi, Zi-Gao Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、24個の長短継続ガンマ線バースト（GRB）のうち、プラトーに続く急激な減衰を示すものについて分析することで、ミリ秒磁気星が長短継続GRBにおけるX線後光プラトーを駆動しているというさらなる証拠を提示している。パulsarに類似たL_X–L_sd相関を用い、初期回転周期が1–10 ms、磁場が約10^15 Gであることが判明し、X線放射効率がほぼ100%に達していることから、磁気星中心エンジンモデルを強く支持している。

ABSTRACT

Many long-duration gamma-ray bursts (GRBs) were observed by {\it Swift}/XRT to have plateaus in their X-ray afterglow light curves. This plateau phase has been argued to be evidence for long-lasting activity of magnetar (ultra-strongly magnetized neutron stars) central engines. However, the emission efficiency of such magnetars in X-rays is still unknown. Here we collect 24 long GRB X-ray afterglows showing plateaus followed by steep decays. We extend the well-known relationship between the X-ray luminosity ${L_{\mathrm{X}}}$ and spin-down luminosity $L_{\mathrm{sd}}$ of pulsars to magnetar central engines, and find that the initial rotation period $P_{0}$ ranges from 1 ms to 10 ms and that the dipole magnetic field $B$ is centered around $10^{15}$ G. These constraints not only favor the suggestion that the central engines of some long GRBs are very likely to be rapidly rotating magnetars but also indicate that the magnetar plateau emission efficiency in X-rays is close to 100%.

研究の動機と目的

• 長短継続GRBにおけるX線後光プラトーの起源を調査すること、特にその後に続く急激な減衰を含めて。
• ミリ秒磁気星が観測されたプラトーおよび急激な減衰の期間を説明できるかどうかを検証すること。
• X線放射 luminosity と回転減衰 luminosity 関係を用いて、磁気星中心エンジンの初期回転周期と磁場強度を制約すること。
• 観測されたX線放射 luminosity と回転減衰 luminosity を比較することにより、磁気星のX線放射効率を推定すること。
• 磁気星駆動GRBが通常のパulsarと同一のL_X–L_sd相関に従うという仮定を検証すること。

提案手法

• 著者らは、Swift/XRT観測から、X線後光プラトーに続く急激な減衰を示す24個の長短継続GRBを収集した。
• 通常のパulsarで観測されたL_X–L_sd相関を磁気星駆動GRBに適用し、同一の放射効率スケーリングを仮定した。
• プラトーの減衰時間とX線放射 luminosity から、回転減衰 luminosity L_sd を導出し、プラトーの終了が回転減衰 timescale を示すものと仮定した。
• 標準的な磁気星回転減衰式 L_sd = (4π² I c³)/(3c⁴) × (P⁻⁴) × (B²) を用い、I ≈ 10⁴⁵ g cm² として、初期回転周期P₀と双極子磁場Bを計算した。
• 放射効率η = L_X / L_sd を自由パrameterとみなし、観測されたL_Xがパulsar相関から推定されたL_sdと一致するように制約を加えた。
• 観測フラックスを luminosity に変換するために、Dainotti et al. (2010) のL_X–T_b相関から得られた赤方偏移を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長短継続GRBにおけるX線プラトーとその後の急激な減衰は、長寿命の磁気星中心エンジンによって説明可能か？
• RQ2 X線放射と回転減衰 luminosity の制約に基づいて、これらのGRBにおける磁気星の初期回転周期と磁場強度は何か？
• RQ3 GRBにおける磁気星のX線放射効率は何か？また、通常のパulsarと一致するか？
• RQ4 通常のパulsarで観測されたL_X–L_sd相関は、GRBにおけるミリ秒磁気星にも適用可能か？
• RQ5 導出された磁気星パラメータは、一部の長短継続GRBがミリ秒磁気星によって駆動されているという仮説を支持するか？

主な発見

• 磁気星中心エンジンの初期回転周期P₀は1 msから10 msの範囲にあり、ミリ秒磁気星の形成と整合的である。
• 双極子磁場強度Bは約10^15 Gに集中しており、磁気星の典型的な値である。
• X線放射効率η = L_X / L_sd はほぼ100%に近く、回転減衰エネルギーのほぼすべてがX線として放射されていることを示している。
• 通常のパulsarで観測されたL_X–L_sd相関はGRB磁気星に対しても成立しており、類似した放射物理法則が適用可能であるという仮定を支持している。
• 導出されたパラメータは、急激な減衰を示す長短継続GRBにおけるX線プラトー放射の主因が磁気星モデルであることに整合的である。
• 結果として、ミリ秒磁気星が少なくとも一部の長短継続GRBの中心エンジンであるという主張の根拠が強化された。