[논문 리뷰] Evidence for a decreasing X-ray afterglow emission of GW170817A and GRB 170817A in XMM-Newton

P. D’Avanzo, S. Campana외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 18.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 13인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 GW170817A와 GRB 170817A의 XMM-Newton 관측 결과를 135일 후에 제시하며, 이전에 지속적인 밝아짐을 보였던 X선 후광 플럭스의 현저한 감소를 확인한다. 이 플럭스 감소는 허블 우주망원경의 옵티컬 데이터와 일관된 스펙트럼 기울기를 통해 확인되었으며, 냉각이 아닌 기하학적 또는 역학적 기원으로 해석된다. 두 모델—구조가 있는 제트와 등방성 화염공 모델—이 관측 데이터를 동일하게 잘 맞춘다.

ABSTRACT

We report our observation of the short GRB 170817A, associated to the binary neutron star merger event GW 170817, perfomed in the X-ray band with XMM-Newton 135 d after the event (on the 29th December 2017). We find that the X-ray light curve started to decrease with respect to the previous steadily brightening trend. This is also supported by a nearly simultaneous optical Hubble Space Telescope observation. Since the optical-to-X-ray spectral slope did not change with respect to previous observations, we exclude that the decrease in flux is due to the passage of the cooling frequency: its origin must be geometric or dynamical. We interpret all the existing afterglow data with two models: i) a structured jet and ii) a jet-less isotropic fireball with some stratification in its radial velocity structure. Both models fit the data and predict that the radio flux must decrease simultaneously with the optical and the X-ray one, making hard to distinguish between them at the present stage. Polarimetric measures and the rate of short GRB-GW association in future LIGO/Virgo runs will be key to disentangle these two geometrically different scenarios.

연구 동기 및 목표

• GW170817A와 GRB 170817A의 X선 후광 복사의 초기 밝아짐 단계 이후의 진화를 조사하기 위해.
• 관측된 플럭스 감소가 냉각과 같은 물리적 과정인지, 기하학적 또는 역학적 효과인지 판단하기 위해.
• 후광 광선 곡선을 설명하는 데 있어 경쟁하는 모델—구조가 있는 제트 모델 대비 등방성 화염공 모델—을 비교하기 위해.
• X선 및 옵티컬 광선 곡선 행동이 단기 감마선 폭발 후광의 복사 기하학을 이해하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 135일 후인 2017년 12월 29일에 XMM-Newton를 이용해 GW170817A의 X선 관측을 수행하였다.
• 이전 관측에서 관측된 일관된 밝아짐 추세와 비교하여 플럭스 진화의 역전을 탐지하기 위해 X선 광선 곡선을 분석하였다.
• 밴드 간 플럭스 진화를 교차 확인하기 위해 동시 옵티컬 데이터를 허블 우주망원경을 통해 확보하였다.
• 냉각 주파수의 통과로 인한 변화를 배제하기 위해 옵티컬-엑스선 스펙트럼 기울기를 분석하였다.
• 이론적 모델 두 가지—구조가 있는 제트 모델과 경량 속도 구조가 있는 등방성 화염공 모델—을 사용하여 전체 후광 광선 곡선을 피팅하였다.
• 다중 파장 데이터와의 모델 일치성을 평가하고, 향후 편광 측정 및 향후 GRB-GW 탐지 빈도와 같은 관측적 구분 기준을 논의하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GW170817A의 X선 후광 플럭스가 일관된 밝아짐 이후 감소한 원인은 무엇인가?
• RQ2 플럭스 감소는 냉각 주파수의 통과 때문인가, 아니면 기하학적 또는 역학적 효과 때문인가?
• RQ3 관측된 후광 광선 곡선이 구조가 있는 제트 모델과 등방성 화염공 모델(경량 속도 구조 포함)에 의해 동일하게 잘 설명될 수 있는가?
• RQ4 향후 사건에서 구조가 있는 제트 모델과 등방성 화염공 모델을 구분할 수 있는 관측 진단 방법은 무엇인가?
• RQ5 LIGO/Virgo 운영에서 단기 감마선 폭발-GW 연관 수의 증가가 후광 모델의 기하학적 모호성을 해결하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• GW170817A의 X선 후광은 135일 후에 명백한 플럭스 감소를 보였으며, 이는 이전의 일관된 밝아짐 추세의 역전을 나타낸다.
• 옵티컬-엑스선 스펙트럼 기울기는 일정하게 유지되었으며, 이는 플럭스 감소가 냉각 주파수가 X선 대역을 통과함으로써 발생한 것이 아니라는 것을 시사한다.
• 따라서 관측된 플럭스 감소는 스펙트럼 진화가 아닌 기하학적 또는 역학적 효과로 기인된 것으로 해석된다.
• 구조가 있는 제트 모델과 경량 속도 구조가 있는 등방성 화염공 모델 모두 관측된 후광 광선 곡선을 동일하게 잘 맞춘다.
• 두 모델 모두 라디오 플럭스도 옵티컬 및 X선 플럭스와 함께 감소할 것으로 예측하므로, 현재 단계에선 서로 구별할 수 없다.
• 향후 편광 측정과 LIGO/Virgo 관측에서 단기 감마선 폭발-GW 연관 수의 증가는 두 기하학적 모델을 구분하는 데 핵심적인 역할을 할 것이다.