[논문 리뷰] H_2 Absorption and Fluorescence for Gamma Ray Bursts in Molecular Clouds

B. T. Draine|arXiv (Cornell University)|1999. 07. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 분자구름 내에서 발생하는 감마선 폭발(GRBs)이 자외선 펌프링에 의해 진동적으로 들뜬 H₂에 의해 1650 Å 이하에서 강한 H₂ 흡수를 일으켜, 즉각적인 빛과 후광에 특징적인 스펙트럼 서명을 남긴다고 제안한다. 이 들뜬 H₂에서 발생하는 형광 발광은 수일에서 수개월 동안 지속되며, 초신성와 같은 다른 일시적 천체에서의 신호와 구별되는 검출 가능한 스펙트럼 신호를 제공한다.

ABSTRACT

If a gamma ray burst with strong UV emission occurs in a molecular cloud, there will be observable consequences resulting from excitation of the surrounding H2. The UV pulse from the GRB will pump H2 into vibrationally-excited levels which produce strong absorption at wavelengths < 1650 A. As a result, both the prompt flash and later afterglow will exhibit strong absorption shortward of 1650 A, with specific spectroscopic features. Such a cutoff in the emission from GRB 980329 may already have been observed by Fruchter et al.; if so, GRB 980329 was at redshift 3.0 < z < 4.4 . BVRI photometry of GRB 990510 could also be explained by H2 absorption if GRB 990510 is at redshift 1.6 < z < 2.3. The fluorescence accompanying the UV pumping of the H2 will result in UV emission from the GRB which can extend over days or months, depending on parameters of the ambient medium and beaming of the GRB flash. The 7.5-13.6 eV fluorescent luminosity is \sim 10^{41.7} erg/s for standard estimates of the parameters of the GRB and the ambient medium. Spectroscopy can distinguish this fluorescent emission from other possible sources of transient optical emission, such as a supernova.

연구 동기 및 목표

• 분자구름 내에서 발생하는 GRB에서의 H₂ 흡수 및 형광의 관측 가능한 서명을 조사하기 위해.
• GRB 980329와 GRB 990510에서 관측된 스펙트럼 특징이 자외선 펌프링에 의해 유도된 H₂ 흡수로 설명될 수 있는지 판단하기 위해.
• GRB 플래시 이후 진동적으로 들뜬 H₂에서 발생하는 형광 발광의 검출 가능성과 스펙트럼적 특성을 평가하기 위해.
• 초신성와 같은 다른 일시적 발광 메커니즘과 스펙트럼적 특징을 통해 H₂ 형광을 구별하기 위해.

제안 방법

• GRB의 자외선 플래시에 의해 분자구름 내 H₂ 분자들이 어떻게 전자 상태 B 및 C로 광흡수되는지 모델링하며, 이 과정에서 발생하는 전이에 집중한다.
• GRB 펄스의 에너지 밀도를 사용하여 기초 전자 상태(X 1Σg+)의 진동적으로 들뜬 수준(v ≥ 1)으로의 광펌프링 속도를 계산한다.
• 진동적으로 들뜬 H₂에 의한 흡수 스펙트럼을 추정하며, 특히 λ ≲ 1650 Å에서 강한 흡수를 나타낸다.
• 흡착 및 붕괴 시간 상수를 사용하여 진동적으로 들뜬 H₂의 자발적 붕괴에 의한 형광 발광 빛의 세기를 계산한다.
• GRB 980329와 GRB 990510의 관측된 광도 및 스펙트럼 데이터에 모델을 적용하여 H₂ 흡수 특징에 기반한 적색이동을 제약한다.
• 식 (12)에 의해 추정된 형광 발광 스펙트럼 및 빛의 세기를 사용하여, 다양한 적색이동과 관측자 파장에서의 검출 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 980329에서 R 및 I 필터 사이의 관측된 플럭스 감소는 자외선 펌프링에 의해 진동적으로 들뜬 H₂에 의한 H₂ 흡수로 설명될 수 있는가?
• RQ2 GRB 990510에서 V 및 B 필터 사이의 플럭스 감소는 분자 환경 내에서 자외선 펌프링에 의해 유도된 H₂ 흡수로 기인할 수 있는가?
• RQ3 GRB에 의해 자극된 H₂에서 기대되는 형광 자외선 발광의 빛의 세기와 지속 시간은 얼마이며, 검출 가능한가?
• RQ4 H₂ 형광은 초신성와 같은 다른 일시적 발광원과 스펙트럼적 특징을 통해 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ5 H₂ 형광을 검출하기에 가장 유리한 적색이동 범위는 무엇이며, 어떤 관측 조건이 필요한가?

주요 결과

• 분자구름 내 H₂는 GRB의 자외선 플래시에 의해 진동적으로 들뜨면 λ ≲ 1650 Å에서 강하게 흡수되어 특징적인 흡수 서명을 생성한다.
• GRB 980329에서 R 및 I 필터 사이의 관측된 플럭스 감소는 붕괴가 발생한 적색이동 3.0 ≲ z ≲ 4.4일 경우 H₂ 흡수와 일치한다.
• GRB 990510에서 V 및 B 필터 사이의 플럭스 감소는 적색이동이 1.6 ≲ z ≲ 2.3일 경우 H₂ 흡수로 설명될 수 있다.
• GRB의 자외선 플래시에 의해 자극된 H₂에서 기대되는 형광 발광은 7.5–13.6 eV 대역에서 약 ∼10^41.7 erg s⁻¹의 빛의 세기를 가지며, 수일에서 수개월 동안 지속된다.
• 형광 발광은 초신성 발광과 스펙트럼적으로 구별되며, z ≈ 1.5–2.0에서 검출 가능할 수 있으며, 4000 Å에서 피크 플럭스는 약 2.5×10⁻⁹ n₃ (R_H₂/10¹⁹ cm)² Jy이다.
• GRB 980326에서 관측된 20–30일간의 발광 플랫폼은 z ≈ 3.5일 경우를 제외하고는 H₂ 형광으로서 설명되기 어렵다. 이 경우 과도하게 높은 에너지 출력이 요구되며, 이는 초신성 가설이 더 타당하다는 것을 시사한다.