[논문 리뷰] Fermi/GBM observations of the ultra-long GRB 091024: A burst with an optical flash

D. Gruber, T. Krühler외 28명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 05.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 52인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 약 ~1020초 동안 지속된 초장수 감마선 폭발 GRB 091024의 Fermi/GBM 관측을 분석한다. 이 폭발은 두드러진 광학 플래시를 보였다. 스펙트럼 분석과 변동성 timescale을 이용해 저자들은 반사파면 광학 플래시를 확인하고, 전체 운동량 러닝 팩터의 하한값(Γ₀,min = 195⁺⁹⁰₋₁₁₀)을 유도하였다. 이 값은 전방파면 모델링 결과(Γ₀ ≈ 120)와 일치하며, 극단적인 지속시간에도 불구하고 장수 감마선 폭발 물리학과의 일치를 확인한다.

ABSTRACT

In this paper we examine gamma-ray and optical data of GRB 091024, a gamma-ray burst (GRB) with an extremely long duration of T90~1020 s, as observed with the Fermi Gamma-Ray Burst Monitor (GBM). We present spectral analysis of all three distinct emission episodes using data from Fermi/GBM. Because of the long nature of this event, many ground-based optical telescopes slewed to its location within a few minutes and thus were able to observe the GRB during its active period. We compare the optical and gamma-ray light curves. Furthermore, we estimate a lower limit on the bulk Lorentz factor from the variability and spectrum of the GBM light curve and compare it with that obtained from the peak time of the forward shock of the optical afterglow. From the spectral analysis we note that, despite its unusually long duration, this burst is similar to other long GRBs, i.e. there is spectral evolution (both the peak energy and the spectral index vary with time) and spectral lags are measured. We find that the optical light curve is highly anti-correlated to the prompt gamma-ray emission, with the optical emission reaching the maximum during an epoch of quiescence in the prompt emission. We interpret this behavior as the reverse shock (optical flash), expected in the internal-external shock model of GRB emission but observed only in a handful of GRBs so far. The lower limit on the initial Lorentz factor deduced from the variability time scale ($Γ_{min}=195_{-110}^+{90}$)is consistent within the error to the one obtained using the peak time of the forward shock ($Γ_0=120$) and is also consistent with Lorentz factors of other long GRBs.

연구 동기 및 목표

• Fermi/GBM 데이터를 이용해 T90 ≈ 1020 s인 초장수 감마선 폭발 GRB 091024의 스펙트럼적 및 시간적 성질을 조사한다.
• 관측된 광학 플래시가 내부-외부 충격 모델에서 예측하는 반사파면 방출과 일치하는지 확인한다.
• 초기 감마선 변동성으로부터 최소 전체 운동량 러닝 팩터를 추정하고, 전방파면 후광 피크 시간으로부터 유도된 값과 비교한다.
• Amati 및 Yonetoku 관계에서 이 폭발의 위치를 평가하여 표준 감마선 폭발 상관관계와의 일치성을 평가한다.
• 특히 장수 폭발의 경우에 한하여 관측 제약 조건이 감마선 폭발 매개변수 추정에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 8 keV–40 MeV 범위의 Fermi/GBM 에너지 영역에서 세 개의 서로 다른 방출 단계에 대해 시간에 따라 변하는 피팅을 이용한 스펙트럼 분석을 통해 E_peak 및 스펙트럼 기울기를 결정한다.
• 에너지 대역 간의 스펙트럼 지연을 계산하여 방출 물리학 및 시간적 구조를 평가한다.
• Lithwick & Sari (2001)의 공식 Δt ≥ 2R/(Γ²c)를 이용해 GBM 광도곡선에서 감지 가능한 최소 변동성 timescale을 이용해 전체 운동량 러닝 팩터의 하한값을 추정한다.
• 변동성으로부터 유도된 러닝 팩터를 Molinari 등 (2007)의 동질성 간성 매질 모델을 이용해 전방파면 후광 피크 시간으로부터 유도된 값과 비교한다.
• 시간적으로 통합된 스펙트럼 피팅을 통해 E_peak,iso 및 E_iso를 계산하여 Amati 관계(E_peak,rest 대비 E_iso)에 배치한다.
• Sonoita, Faulkes North 및 Super-LOTIS 천체망원경의 광학 광도곡선을 감마선 방출과 교차 식별하여 반대 상관관계 및 플래시 해석을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 091024에서 관측된 광학 플래시는 내부-외부 충격 모델이 예측하는 반사파면 방출과 일치하는가?
• RQ2 초기 감마선 변동성으로 제약된 최소 전체 운동량 러닝 팩터는 얼마인가?
• RQ3 변동성으로부터 유도된 러닝 팩터는 전방파면 후광 피크 시간으로부터 유도된 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 GRB 091024는 Amati 또는 Yonetoku 관계에서 이질적인가? 이는 관측 제약 조건 때문일 수 있는가, 아니면 본질적 성질 때문인가?
• RQ5 가시성 및 기기 감도 제약 조건이 경험적 관계에서 장수 감마선 폭발의 해석에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 폭발은 스펙트럼 진화와 측정 가능한 스펙트럼 지연을 보이며, T90 ≈ 1020 s의 초장수 지속시간에도 불구하고 장수 감마선 폭발로의 분류가 확인된다.
• 광학 광도곡선은 초기 감마선 방출과 강한 반대 상관관계를 보이며, 첫 번째 광학 피크가 감마선 광도곡선의 침체기 동안 발생하여 반사파면 플래시와 일치한다.
• 변동성 timescale으로부터 유도된 전체 운동량 러닝 팩터의 하한값은 Γ₀,min = 195⁺⁹⁰₋₁₁₀이며, 이는 전방파면 후광 피크 시간으로부터 유도된 Γ₀ ≈ 120과 일치한다.
• 시간적으로 통합된 E_peak,rest = 315⁺⁴³₋₃₂ keV 및 E_iso = 3.5 × 10⁵³ erg은 GRB 091024가 Amati 관계의 산란 범위 내에 위치함을 보여주며, Yonetoku 관계에서는 >1σ 이질적이다.
• 관측 시간이 제한된 상태에서 단지 단계 I 및 II만으로는 Amati 관계의 이질적 예외로 분류되었으며, 이는 폭발이 완전히 샘플링되지 않았을 경우 잘못된 분류의 위험성을 드러낸다.
• 폭발의 행동 및 매개변수는 다른 장수 감마선 폭발과 일치하며, 초장수 지속시간이 본질적으로 다른 방출 메커니즘을 의미하지는 않는다는 것을 시사한다.