[논문 리뷰] GRB 090417B and its Host Galaxy: A Step Towards an Understanding of Optically-Dark Gamma-Ray Bursts

S. T. Holland, B. Sbarufatti외 11명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 10.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 79인용 수 4

한 줄 요약

GRB 090417B는 z=0.345에서 발생한 밀레니엄 수준의 은하에서 발생한 광학적으로 어두운 감마선 폭발이며, X선 데이터는 폭발에서 30–80 pc 거리에 밀도가 높고 국소화된 먼지 필름을 밝혀내었고, 이는 A_V ≳ 12 mag의 투명도 감소를 초래하여 광학적 복사가 부족한 이유를 설명한다. 어두운 성질은 고적색변위나 이국적인 물리학이 아니라 천체선을 통한 먼지 때문으로 기인된다.

ABSTRACT

GRB 090417B was an unusually long burst with a T_90 duration of at least 2130 s and a multi-peaked light curve at energies of 15-150 keV. It was optically dark and has been associated with a bright star-forming galaxy at a redshift of 0.345 that is broadly similar to the Milky Way. This is one of the few cases where a host galaxy has been clearly identified for a dark gamma-ray burst and thus an ideal candidate for studying the origin of dark bursts. We find that the dark nature of GRB 090417B cannot be explained by high redshift, incomplete observations, or unusual physics in the production of the afterglow. Assuming the standard relativistic fireball model for the afterglow we find that the optical flux is at least 2.5 mag fainter than predicted by the X-ray flux. The Swift/XRT X -ray data are consistent with the afterglow being obscured by a dense, localized sheet of dust approximately 30-80 pc from the burst along the line of sight. Our results suggest that this dust sheet imparts an extinction of A_V >~ 12 mag, which is sufficient to explain the missing optical flux. GRB 090417B is an example of a gamma-ray burst that is dark due to the localized dust structure in its host galaxy.

연구 동기 및 목표

• 광학적으로 어두운 GRB 090417B의 은하계를 특정하고 그 물리적 성질을 규명하는 것.
• 폭발의 광학적 어둠이 고적색변위, 관측의 불완전성, 또는 본질적인 은폐성 중 어느 것인지를 구분하는 것.
• X선 후광 진화를 모델링하고 먼지 투명도가 부족한 광학적 복사량을 설명할 수 있는지 평가하는 것.
• 은하계 내 국소화된 먼지 구조물(예: 바람에 의해 생성된 껍질 또는 분자운)이 관측된 투명도를 초래할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• Swift/XRT 및 UVOT 데이터를 사용하여 GRB 090417B의 X선 및 광학 후광 광도곡선과 스펙트럼 진화를 분석하였다.
• Shao & Dai (2007)의 먼지 산산이 분산 모델을 적용하여 약 70 ks 이후 X선 스펙트럼의 연화 현상을 설명하였다.
• X선 스펙트럼에서 필요한 먼지 열량 밀도와 투명도(A_V)를 계산하고 관측된 광학적 복사량 부족과 비교하였다.
• XRT 오차 원판과의 교차 상관 분석 및 [O II], [O III], Hα 선의 발산선으로부터의 적색변위 측정을 통해 은하계를 SDSS J135846.65+470104.5로 특정하였다.
• 광학적 및 분광적 데이터를 이용하여 은하계의 항성 형성률과 총 투명도(A_V ≈ 3.5 mag)를 평가하였다.
• 먼지 필름 모델이 관측된 X선 스펙트럼 진화와 폭발에서의 추정 거리(30–80 pc)와의 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 090417B의 은하계는 무엇이며, 그 물리적 성질은 무엇인가요?
• RQ2 밝은 X선 후광과 빠른 Swift 반응에도 불구하고 GRB 090417B는 왜 광학적으로 어두운가요?
• RQ3 약 70 ks 이후 관측된 X선 스펙트럼의 연화 현상은 국소화된 먼지 필름에서 발생한 먼지 산산이 분산에 의해 설명될 수 있나요?
• RQ4 필요한 투명도(A_V)는 X선 열량 밀도와 광학적 복사량 부족과 일관성이 있나요?
• RQ5 GRB 090417B의 어두운 성질은 은하계 내 밀도가 높고 먼지가 많은 영역과의 우연한 정렬 때문일 수 있나요?

주요 결과

• GRB 090417B의 은하계는 z=0.345에서 위치한 L* 은하로, 밀레니엄과 유사한 항성 형성률을 가진다.
• 은하계의 총 V-대역 투명도는 A_V ≈ 3.5 mag로, 일반적인 감마선 폭발 은하계보다는 높지만 밀레니엄과 일치한다.
• X선 후광는 약 70 ks까지 정상적인 행동을 보이며, 냉각 절단점은 9.1~29.6 ks 사이에 위치하고, 등가 에너지 E_iso ≳ 6.3×10^51 erg로 나타나 특별한 물리학적 현상이 없음을 시사한다.
• 약 70 ks 이후 X선 스펙트럼이 크게 연화되며, 이는 폭발에서 30–80 pc 거리에 위치한 먼지 필름의 산산이 분산 모델로 가장 잘 설명된다.
• 모델은 천체선을 따라 A_V ≈ 15–40 mag의 투명도 감소를 예측하며, 관측된 광학적 복사량 부족과 측정된 H I 열량 밀도와 일치한다.
• 결과는 GRB 090417B가 고적색변위나 본질적 후광 억제 때문이 아니라 천체선을 따라 국소화된 고밀도 먼지 필름으로 인해 어두운 것으로 강력히 지지한다.