[논문 리뷰] GRB 121027A: long-lasting, energetic X-ray flares and clues to radiation mechanism and progenitor star

Fang‐Kun Peng, Y. D. Hu외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 20.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초장수 금방사선 폭발 GRB 121027A를 분석하며, 10⁵초에 이르는 매우 에너지가 크고 지속적인 X선 플레어를 보이는 초장수 금방사선 폭발을 다룬다. 플레어는 순간 금방사선 방출보다 약 10배 더 많은 에너지를 방출하지만, 동일한 $L_{\rm iso}-E_{\rm p}$ 및 $ olimits\Gamma-L_{\rm iso}$ 관계를 따르며, 이는 동일한 신크로트론 복사 메커니즘이라는 것을 시사한다. 높은 후기 시점 에너지 출력은 혼합된 외피를 가진 큰 원자성 항성의 존재를 시사하며, 일반적인 월프-레이넷 항성과는 다릅니다.

ABSTRACT

GRB 121027A is un-usual with its extremely long-lasting, energetic X-ray flares. The total energy release in X-ray flares is about one order of magnitude higher than prompt gamma-rays, making it special from most long GRBs. We show that while the prompt gamma-ray emission satisfies the empirical E_{iso}-E_{p} relation of typical long GRBs, the X-ray flares, whose spectra can be fit with a cutoff-power-law model with well-constrained E_p, significantly deviate from such a relation. Nonetheless, a time-resolved spectral analysis of X-ray flares suggest that the X-ray emission is consistent with the L_{iso}-E_{p} relation of long GRBs. We constrain the minimum Lorentz factor of the X-ray flares to be ~14, which is consistent with the Gamma-L_{iso} relation. Our results imply that prompt gamma-ray emission and late X-ray flares share the similar radiation mechanism, but originate from the outflows with different Lorentz factors. We search for similar GRBs from the Swift GRB archives, and find that the z=6.29 GRB 050904 is a carbon copy of GRB 121027A. The long-lasting, energetic X-ray flares in these GRBs demand significant accretion at late times, which point towards a large-radius progenitor star.

연구 동기 및 목표

• 초장수 X선 플레어의 기원과 복사 메커니즘을 조사하기 위해.
• 장수 X선 플레어가 장수 금방사선 폭발의 순간 방출에서 관찰된 것과 동일한 경험적 상관관계(예: $L_{\rm iso}-E_{\rm p}$)를 따르는지 확인하기 위해.
• 후기 시점 플레어의 에너지와 시간적 행동으로부터 원자성 항성의 특성을 추론하기 위해.
• Swift 암시에서 유사한 금방사선 폭발을 식별하여 GRB 121027A가 초장수 금방사선 폭발의 별개의 하위군에 속하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• Swift/BAT 및 XRT 데이터를 사용하여 X선 플레어의 시간 해상도 스펙트럼 분 析를 통해 $E_{\rm p}$와 $L_{\rm iso}$를 측정하기 위해.
• X선 플레어 특성과 순간 방출에서 관측된 $L_{\rm iso}-E_{\rm p}$ 및 $ olimits\Gamma-L_{\rm iso}$ 관계를 비교하기 위해.
• 외부 충격 모델을 바람 매질에서 적용하여 유동 역학을 평가하기 위해 최소 러멘츠 팩터 $\Gamma \sim 14$를 추정하기 위해.
• 유도된 제트 반개각 $\theta_{\rm j} > 10.4^\circ$의 하한을 도출하기 위해 외부 충격 모델을 바람 매질에서 적용하기 위해.
• Swift 금방사선 폭발 암시와의 교차 상관관계를 통해 유사한 플레어 광곡선을 식별하기 위해, 특히 GRB 050904를 중심으로 하기 위해.
• 후기 시점 X선 광곡선 감쇠($t^{-1.55}$) 및 스펙트럼 기울기($\beta \sim 1.5$)를 모델링하여 표준 후광모형과의 일관성을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 121027A의 장수 지속 X선 플레어는 순간 금방사선 방출과 동일한 $L_{\rm iso}-E_{\rm p}$ 관계를 따르는가?
• RQ2 X선 플레어 유동의 최소 러멘츠 팩터는 얼마이며, $\Gamma-L_{\rm iso}$ 관계와 어떻게 관련되는가?
• RQ3 이러한 에너지가 큰 후기 시점 플레어를 지속시키기 위해 필요한 원자성 항성의 특성은 무엇인가?
• RQ4 GRB 121027A는 초장수 금방사선 폭발의 별개의 하위군에 속하는가? 그리고 Swift 암시에 유사한 폭발이 더 있는가?
• RQ5 제트 브레이크가 관측되지 않고 X선 광곡선 감쇠가 $t^{-1.55}$임은 순도 중간 매질과 제트 구조에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• GRB 121027A의 X선 플레어에서 방출되는 총 에너지는 순간 금방사선 방출보다 약 10배 많으며, 이는 후기 시점에서 매우 에너지가 큰 것으로 간주된다.
• X선 플레어는 순간 방출과 일치하는 $L_{\rm iso}-E_{\rm p}$ 관계를 보이며, 이는 동일한 복사 메커니즘(예: 신크로트론 복사)이 작용하고 있음을 시사한다.
• X선 플레어 유동의 최소 러멘츠 팩터는 $\sim 14$로 제약되며, 이는 장수 금방사선 폭발에서 관측된 $\Gamma-L_{\rm iso}$ 관계와 일치한다.
• 제트 반개각은 $\theta_{\rm j} > 10.4^\circ$로 제약되며, 외부 충격 모델과 천체망원경 제트 브레이크 측정치와 일치한다.
• GRB 050904는 유사한 플레어 광곡선을 보이며, 유사한 기원과 원자성 항성 유형을 공유하는 것으로 확인되었다.
• 높은 후기 시점 에너지 예산과 후광모형의 지배성 부재는 혼합 외피를 가진 거대한 원자성 항성, 즉 저금속도 및 고속으로 회전하는 항성일 가능성이 높으며, 일반적인 월프-레이넷 항성과는 다름을 시사한다.