[논문 리뷰] Can an Off-axis Gamma-Ray Burst Jet in GW170817 Explain All the Electromagnetic Counterparts?

Kunihito Ioka, Takashi Nakamura|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 23인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 GW170817에서 관측된 모든 전자기적 대응체—sGRB 170817A, 파란 매크로노바, X선/라디오 후광—를 한 개의 이심각 방사선 붐(γ-ray burst, GRB) 제트로 설명할 수 있는지 조사한다. 등방성 에너지 ~10⁵¹–10⁵² erg, 열린 각도 ~20°, 관측 각도 ~30°인 상대론적 제트 모델링을 통해 저자들은 모든 대역에서 일관된 복사가 발생함을 보이며, 제트에 의해 가속화된 코코넛이 난방 물질을 0.3–0.4c로 가속시키고, 후광 붕괴에서 유추된 낮은 주변 밀도 (~10⁻³–10⁻⁶ cm⁻³)를 확인한다.

ABSTRACT

Gravitational waves from a merger of two neutron stars (NSs) were discovered for the first time in GW170817, together with diverse electromagnetic (EM) counterparts. To make constraints on a relativistic jet from the NS merger, we calculate the EM signals in (1) the short gamma-ray burst sGRB 170817A from an off-axis jet, (2) the optical-infrared macronova (or kilonova), especially the blue macronova, from a jet-powered cocoon, and (3) the X-ray and radio afterglows from the interaction between the jet and interstellar medium. We find that a typical sGRB jet is consistent with these observations, and there is a parameter space to explain all the observations in a unified fashion with an isotropic energy $\sim 10^{51}$-$10^{52}$ erg, opening angle $\sim 20^{\circ}$, and viewing angle $\sim 30^{\circ}$. The off-axis emission is less de-beamed than the point-source case because the viewing angle is comparable to the opening angle. We also analytically show that the jet energy accelerates a fair fraction of the merger ejecta to a sub-relativistic velocity $\sim 0.3$-$0.4$c as a cocoon in a wide parameter range. The ambient density might be low $\sim 10^{-3}$-$10^{-6}$ cm$^{-3}$, which can be tested by future observations of radio flares and X-ray remnants.

연구 동기 및 목표

• GW170817에서 관측된 모든 전자기적 대응체를 한 개의 이심각 GRB 제트로 설명할 수 있는지 확인하는 것.
• 관측된 sGRB, 매크로노바, 후광 광선 곡선을 재현할 수 있는 제트 파rameters—등방성 에너지, 열린 각도, 관측 각도—를 제약하는 것.
• 제트에 의해 구동되는 코코넛이 준상대론적 물질을 가속화하고 파란 매크로노바 복사에 기여하는 역할을 평가하는 것.
• X선 및 라디오 후광 붕괴 거동에서 은하간 매질 밀도에 대한 제약을 도출하는 것.

제안 방법

• 공동 기준 프레임에서 파워 법칙 스펙트럼(밴드 유사)을 가진 상대론적 제트를 사용하여 이심각 GRB 복사 모델링, 스펙트럼 기울기 α_B = -1, β_B = -2.2, s = 1.
• 관측자 관측 각도에서의 등방성 에너지를 시간 적분 광도를 사용하여 계산하며, 상대론적 비스듬함과 도플러 보정을 레이저 인자 Γ와 관측 각도 θ_v를 통해 고려한다.
• 제트의 각도 폭 Δθ와 관측자 위치를 고려하여 제트의 복사 영역에서의 빛 도달 시간을 기반으로 시간 적분의 시작 및 종료 시간 T_start 및 T_end를 유도한다.
• 도플러 인자 δ(θ_v) = 1/[Γ(1 - β cos θ_v)]와 다양한 관측 영역에 맞춘 수정된 버전 ˜δ(θ_v)를 사용하여 θ_v에 따른 복사 강도 스케일링을 계산한다.
• 해석적 스케일링 법칙을 적용하여 E_iso(θ_v) ∝ 일정(θ_v < Δθ), ∝ ˜δ(θ_v)²(Δθ < θ_v ≲ 2Δθ), ∝ δ(θ_v)³(θ_v ≳ 2Δθ)로 나누어지며, 후자는 이심각 관측자에게 가장 관련성이 높다.
• 제트-코코넛 상호작용을 모델링하여 코코넛의 운동 에너지와 속도를 추정하며, 광범위한 매개변수 범위에서 0.3–0.4c의 준상대론적 물질이 가속화됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 개의 이심각 GRB 제트가 GW170817에서 관측된 짧은 감마선 붐 sGRB 170817A, 파란 매크로노바, X선 및 라디오 후광을 모두 설명할 수 있는가?
• RQ2 등방성 에너지, 열린 각도, 관측 각도와 같은 제트 파rameters의 어떤 범위가 동시에 모든 전자기적 대응체를 재현할 수 있는가?
• RQ3 제트는 코코넛을 통해 어떻게 준상대론적 속도(0.3–0.4c)로 물질을 가속화하는가? 이 메커니즘은 제트 및 주변 조건의 광범위한 범위에서 일관된가?
• RQ4 관측된 X선 및 라디오 후광 광선 곡선으로부터 은하간 매질 밀도에 어떤 제약을 둘 수 있는가?
• RQ5 관측 각도가 제트 열린 각도와 유사할 경우, 관측된 등방성 에너지에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 등방성 에너지 ~10⁵¹–10⁵² erg, 열린 각도 ~20°, 관측 각도 ~30°인 일반적인 이심각 GRB 제트는 sGRB 170817A, 파란 매크로노바, X선 및 라디오 후광을 동시에 설명할 수 있다.
• 관측 각도(~30°)가 제트 열린 각도(~20°)와 유사하므로, 점원자 모델 추정치보다 이심각 복사의 비스듬함이 덜 심해져 탐지 가능성은 높아진다.
• 광범위한 매개변수 범위에서 제트에 의해 구동되는 코코넛은 상당한 비율의 병합 물질을 0.3–0.4c의 준상대론적 속도로 효율적으로 가속화한다.
• 후광 붕괴 거동을 바탕으로 주변 은하간 매질 밀도는 낮게 제약되며, 약 ~10⁻³–10⁻⁶ cm⁻³이며,未래 라디오 및 X선 관측으로 검증 가능하다.
• 등방성 에너지 E_iso(θ_v)의 해석적 스케일링은 명확한 영역으로 나뉘며, θ_v < Δθ에서는 일정, Δθ < θ_v ≲ 2Δθ에서는 ∝ ˜δ(θ_v)², θ_v ≳ 2Δθ에서는 ∝ δ(θ_v)³이며, 후자는 이심각 관측자에게 가장 중요하다.
• 모델은 매크로노바 빛의 기원이 r-과정 붕괴만이 아니라 제트에 의해 구동되는 코코넛의 난방에서 비롯된다는 것을 예측하며, 이는 킬로노바 복사에 기여할 수 있는 다른 에너지원이 존재할 수 있음을 시사한다.