[논문 리뷰] Multi-collision internal shock lepto-hadronic models for energetic GRBs

Annika Rudolph, Μαρία Πετροπούλου외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 에너지가 높은 감마선 폭발(GRBs)에서 초고에너지 우주선(UHECR)을 생성하는 데 다중 충돌 내부 충격 렙토-하드론 모델을 제안한다. 이 모델은 시간에 따라 변화하는 광자 및 중성미자 스펙트럼을 포함한다. 연구 결과, 약 3–10의 바리온 부하가 페르미-GBM 스펙트럼을 왜곡하지 않으면서 UHECR를 공급할 수 있으며, 하드론적 특징은 동기복사 지배 시나리오에서 가시광자-자외선, 연한 X선, GeV–TeV 대역에서 상관된 광도 증가로 나타나며, 중성미자 비관측 결과는 역방향 콜롬비아 지배 케이스에서 부하를 제약한다.

ABSTRACT

For a sub-population of energetic Gamma-Ray Bursts (GRBs), a moderate baryonic loading may suffice to power Ultra-High-Energy Cosmic Rays (UHECRs). Motivated by this, we study the radiative signatures of cosmic-ray protons in the prompt phase of energetic GRBs. Our framework is the internal shock model with multi-collision descriptions of the relativistic ejecta (with different emission regions along the jet), plus time-dependent calculations of photon and neutrino spectra. Our GRB prototypes are motivated by {\em Fermi}-LAT detected GRBs (including GRB~221009A) for which further, owing to the large energy flux, neutrino non-observation of single events may pose a strong limit on the baryonic loading. We study the feedback of protons on electromagnetic spectra in synchrotron- and inverse Compton-dominated scenarios to identify the multi-wavelength signatures, to constrain the maximally allowed baryonic loading, and to point out the differences between hadronic and inverse Compton signatures. We find that hadronic signatures appear as correlated flux increases in the optical-UV to soft X-ray and GeV to TeV gamma-ray ranges in the synchrotron scenarios, whereas they are difficult to identify in inverse Compton-dominated scenarios. We demonstrate that baryonic loadings around 10, which satisfy the UHECR energetic requirements, do not distort the predicted photon spectra in the {\em Fermi}-GBM range and are consistent with constraints from neutrino data if the collision radii are large enough (i.e., the time variability is not too short). It therefore seems plausible that under the condition of large dissipation radii a population of energetic GRBs can be the origin of the UHECRs.

연구 동기 및 목표

• 에너지가 높은 GRB가 내부 충격 모델에서 하드론 과정을 통해 초고에너지 우주선(UHECR)을 생성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 특히 다중 충돌 시나리오에서, GRB의 즉각적 단계에서 양성자 유도 상호작용의 복사 서명을 규명하기 위해.
• 페르미-LAT로 관측된 GRB에서 고에너지 중성미자 비관측 결과로부터 바리온 부하에 대한 제약을 평가하기 위해, 특히 GRB 221009A를 포함하여.
• 다중 파장 광자 및 중성미자 서명을 통해 하드론적 방출과 순수 렙토닉 방출을 구별하기 위해.
• 충돌 반경이 렙토-하드론 모델에서 스펙트럼 특징과 중성미자 유량을 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 각각 다른 러프트 팩터와 반경을 가진 다수의 충돌 영역을 포함하는 제트 내부 충격 과정을 모델링한다.
• 2차 전자 및 양성전자에서 발생하는 동기복사 및 역방향 콜롬비아 복사의 시간에 따라 변화하는 복사 전달을 계산하기 위해 시간 의존 복사 전달 모델을 사용한다.
• 중성미자 스펙트럼 계산에 전자기 캐스케이드 및 π-보존/μ-보존 냉각 효과를 자발적으로 포함한다.
• 가시광자-자외선에서 테바르드 감마선, GeV–TeV 중성미자에 이르기까지 전체 에너지 범위에서 광자 및 중성미자 스펙트럼을 계산한다.
• 페르미-GBM 및 페르미-LAT 관측 결과, 아이스코프 중성미자 비관측 및 스택킹 한계를 적용한다.
• 바리온 부하(ϵB/ϵe)와 충돌 반경을 변화시켜 그 영향이 스펙트럼 특징과 탐지 가능성에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 정도의 바리온 부하(약 3–10)를 가진 다중 충돌 내부 충격 모델이 관측된 페르미-GBM 스펙트럼을 왜곡하지 않고 UHECR을 생성할 수 있는가?
• RQ2 GRB 즉각 방출에서 하드론 과정과 순수 렙토닉 방출을 구별하는 데 다중 파장 광자 서명은 무엇인가?
• RQ3 아이스코프에서의 중성미자 비관측 결과는 특히 GRB 221009A와 같은 폭발에서 바리온 부하에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 충돌 반경이 렙토-하드론 모델에서 예측된 중성미자 피크 에너지와 탐지 가능성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 동기복사 지배 GRB에서 가시광자-자외선, 연한 X선, GeV–TeV 대역에서의 상관된 광도 증가가 명백한 하드론적 서명이 될 수 있는가?

주요 결과

• 약 3–10의 바리온 부하가 UHECR 생성과 일치하며, 페르미-GBM 에너지 범위에서 예측된 광자 스펙트럼을 왜곡하지 않는다.
• 동기복사 지배 시나리오에서, 하드론 상호작용은 광자 지수 −2의 상관된 광역 스펙트럼 성분을 생성하며, 이는 가시광자-자외선, 연한 X선, GeV–TeV 감마선 대역에서 광도가 증가하는 것으로 나타난다.
• 역방향 콜롬비아 지배 시나리오에서는 렙토-하드론 모델과 순수 렙토닉 모델의 광자 스펙트럼이 구분되지 않으며, 이는 광자만으로는 하드론적 서명을 탐지할 수 없음을 의미한다.
• 아이스코프에서의 중성미자 비관측 및 스택킹 분석 결과는 충돌 반경이 짧은 변동성 시간스케일을 피할 수 있도록 충분히 큰 경우 바리온 부하가 약 3–10 수준으로 제약된다.
• 예측된 중성미자 스펙트럼의 피크 에너지는 이전에 예상한 것보다 더 높은 에너지에서 발생하며, 이는 에너지가 높은 GRB가 향후 라디오 중성미자 탐지기인 GRAND와 같은 미래 탐지기의 유망한 대상이 되게 한다.
• 중성미자 스펙트럼의 피크 에너지는 충돌 반경에 민감하다: 작은 반경(짧은 변동성)은 π-보존 및 μ-보존 냉각으로 인해 피크 에너지를 감소시키며, 이는 현재의 관측소에서 탐지 가능성을 증가시킨다.